Прочность корпуса судна

6.2. Схема расчета прочности на тихой воде

Практически расчет общей прочности состоит в следующем: строят кривую сил веса (рис.6.1 а) считая, что на протяжении каждой из 20-ти теоретических шпаций интенсивность сил веса постоянна, так что кривая веса имеет ступенча­тый характер и площадь прямоугольника на каждой шпации дает вес всего, что находится на судне в пределах этой шпации.

Кривая сил поддержания задается строевой по шпангоутам, но эта зависи­мость также заменяется ступенчатой кривой, равновеликой по площади строевой на каждой шпации (рис.6.1 б).

Разность кривой сил веса и сил поддержания дает кривую нагрузки q(x) (рис.6.1 в). Далее, как известно из курса сопротивления материалов и со­гласно формуле (6.1), интегральная кривая от нагрузки дает кривую пере­резывающих сил (рис.6.1 г), а сле­дующая интегральная кривая (6.2) да­ет кривую изгибающих моментов (рис.6.1 д). Эта кривая дает величину и положение наибольшего изгибающего момента, действующего на корпус при рассматриваемом состоянии нагрузки. При плавании на волнении в зависи­мости от положения судна на волне изменяется кривая сил поддержания, а значит, изменяются и кривые перере­зывающих сил и изгибающих момен­тов. В качестве иллюстрации на рис.6.2 приведен пример изменения указанных величин для различных по­ложений судна на волне. Напряжения от изгиба найдутся делением изги­бающего момента на момент сопро­тивления сечения корпуса, который рассчитывается с включением в сече­ние всех продольных связей корпуса, участвующих в общем изгибе, т.е.связей, простирающихся по всей длине судна или на значительной ее части (рис.6.3). Такой расчет называется расчетом элементов эквивалентного бруса, т.е. бруса, по прочности эквивалентного сечению корпуса судна.

Рисунок 6 1 Эпюры сил веса (а), сил плавучести (б), нагрузки (в), перерезывающих сил (г) и изгибающих моментов(д)

Зная изгибающий момент и рассчитав момент сопротивления сечения, мож­но найти напряжения в наиболее нагруженных связях и, наоборот, исходя из до­пустимых напряжений, можно найти наибольший изгибающий момент, допусти­мый из условия прочности корпуса. Если из допустимого момента вычесть изги­бающие моменты от всех дополнительных сил, происходящих от плавания на волнении, а также от сил поддержания и веса судна порожнем, получим допусти­мый изгибающий момент от сил дедвейта, который судоводитель может регули­ровать, меняя распределение дедвейта по помещениям. На этом основана диа­грамма контроля общей прочности, входящая в судовую документацию.

Кроме рассмот­ренных изгибающих моментов в вертикаль­ной продольной плоско­сти, при плавании ко­сым курсом на волне­нии появляются изги­бающий момент в гори­зонтальной плоскости и крутящий момент в вер­тикальных поперечных плоскостях. Эти момен­ты достигают наиболь­шей величины при кур­совом угле волнения около 60° и длине вол­ны, равной длине судна. Дополнительный кру­тящий момент появля­ется при несимметрич­ной загрузке относи­тельно ДП на различ­ных участках по длине судна. Такие моменты особенно опасны для судов с большим рас­крытием палубы, в ча­стности для контейне­ровозов. Учет напряже­ний, вызванных гори­зонтальным изгибающим и крутящим моментами, заложен в той части Правил, которые относятся к судам указанных типов и требуемая прочность корпуса для типовых случаев загрузки обеспечивается при проектировании, а в процессе эксплуатации контролируется расчетами по специальной программе на судовом компьютере.

6.3. Контроль общей прочности в судовых условиях

Рисунок 6. 2 - Изгибающие моменты и перерезывающие силы при различных положениях судна относительно волны: а - последовательность положений судна; б - вес; в - силы поддержания; г - перерезывающие силы; д - изгибающие моменты

Для малых судов общая прочность практически всегда обеспечена. Для су­дов среднего тоннажа длиной 120-180 м прочность по перерезывающим силам считается обеспеченной, а наибольший изгибающий момент расположенным в районе миделя, поэтому для таких судов контроль общей прочности производится только по изгибающему моменту на миделе. Такой контроль особенно необходим при большой неравномерности загрузки по длине или для подтверждения воз­можности производства грузовых операций в намеченной последовательности.

Достаточность продольной прочно­сти корпуса проверяется сравнением рассчитанного изгибающего момента на миделе с допустимым изгибаю­щим моментом, определенным в со­ответствии с Правилами Регистра. Проверка производится по диаграмме контроля продольной прочности (рис.6.4) в следующей последова­тельности. По грузовому плану рас­считывается дедвейт DW, дифферент d и сумма положительных моментов +М_Х части дедвейта, расположенного

в нос от миделя. Если плоскость ми­деля проходит через грузовое поме­щение, то в сумму включают момент только той массы, которая располо­жена в нос от плоскости миделя и имеет плечо х, равное расстоянию от миделя до центра тяжести этой части груза. На диаграмме контроля проч­ности на горизонтали, соответствую­щей дифференту судна, откладывает­ся величина DW и проводится верти­каль. На вертикальной оси отклады­вается сумма моментов +М_Х части дедвейта, расположенного в нос от миделя и проводится горизонталь до пересечения с вертикалью в точке А. Прочность корпуса считается доста­точной, если точка А лежит между линиями «Опасно - перегиб в рейсе» и «Опасно - прогиб в рейсе».

Если точка А лежит за этими линиями, но между линиями «Опасно - перегиб на рейде» и «Опасно - про­гиб на рейде», то прочность доста­точна только для случаев, когда судно находится на рейде или в порту.

Дедвейт DW, тыс.т Рисунок 6.4- Диаграмма контроля общей прочности

Допустимые значения суммы +М_Х могут быть определены по точке пересе­чения вертикали для заданных дедвейта и дифферента с соответствующими гра­ничными линиями. На диаграмме имеется кривая, соответствующая моменту +М_Х, при котором изгибающий момент на миделе равен нулю, при меньших зна­чениях +М_Х судно имеет деформацию прогиба, при больших - деформацию пере­
гиба, а пунктирные кривые диа­граммы дают значения деформа­ции корпуса на миделе / в сан­тиметрах. Знак /> 0 соответст­вует перегибу, знак / < 0 - про­гибу.

На некоторых судах диа­граммы контроля прочности по­строены без учета дифферента (рис.6.5). Тогда на вертикальной оси откладывается арифметиче­ская полусумма моментов масс, расположенных в нос и в корму от миделя, т.е. полу­

суммы модулей моментов. Дос­таточность прочности корпуса определяется так же, как указано выше. Если контрольная точка А вышла за пределы допусти­мых значений для условий пла- эиии шиии 15000 гтт _{DW т} вания в рейсе, то для возможно­сти выйти в плавание необходи­мо изменить грузовой план.

Рисунок 6. 5 - Упрощенная диаграмма контроля прочности Причем еСЛИ ТОЧКа А оказалась

выше линии «Опасно - перегиб в рейсе», это означает, что перегружены трюмы в оконечностях судна и необхо­димо перенести грузы дедвейта ближе к миделю. Если же контрольная точка А оказалась ниже линии «Опасно - прогиб в рейсе», то это означает перегрузку средних трюмов и грузы дедвейта необходимо разнести в оконечности, дальше от миделя.

Сложнее контролируется прочность корпусов крупнотоннажных судов длиной ориентировочно более 180 м. У таких судов величина и положение наибольших значений перерезывающих сил и изгибающих моментов значительно меняется в зависимости от расположения грузовых трюмов и порядка их загрузки. В качестве иллюстрации на рис.6.6 показано влияние способа загрузки трюмов на кривые изгибающих моментов и перерезывающих сил для навалочника дедвейтом 50000 т и длиной 223 м. Поэтому для крупнотоннажных судов контроль прочно­сти производится по изгибающим моментам и перерезывающим силам в несколь­ких сечениях, обычно совпадающих с поперечными переборками.

Рисунок 6. 6 - Влияние способа загрузки трюмов на кривые изгибающих моментов и перерезывающих сил для навалочного судна дедвейтом 50 тыс.т: а - все трюмы загружены, длина трюмов одинакова; б-загружены трюмы 1, 3, 5, 7, длина всех трюмов одинакова; в - загруженные трюмы 1, 3, 5, 7 короче пустых; г — загру­женные трюмы 1, 3, 5, 7, 9 короче пустых касательные напряжения, соответствующие пе­ререзывающим силам, кг/см2; _________ нормальные напряжения, соответствующие изги­бающим моментам, кг/см2;

Проверка прочности та­ких судов производится анало­гично сказанному выше, путем сравнения рассчитанных вели­чин с допустимыми, ограни­ченными соответственными граничными кривыми на диа­грамме контроля для рассмат­риваемого сечения, однако рас­чет перерезывающих сил и из­гибающих моментов отличает­ся тем, что суммируются толь­ко массы, расположенные в нос от рассматриваемого сечения, и их моменты, вычисленные от­носительно этого сечения. На рис.6.7 а и б представлены диа­граммы контроля прочности соответственно по изгибающим моментам и перерезывающим силам в сечении по 57 и 96 шпангоутам для комбиниро­ванного судна (Oil-Bulk-Ore), прочность которого контроли­руется в шести сечениях. По­следовательность построения точек, изображающих нагрузку судна, такая же, как описана выше. Исходя из дифферента, по горизонтали откладывается дедвейт судна и проводится вертикаль до значения, соответствующего сумме масс дедвейта, расположенных в нос от расчетного сечения (рис.6.7.а), или сумма моментов этой части дедвейта (рис.6.7.б). Прочность считается достаточной, если нанесенные точки лежат в до­пустимой зоне для соответствующих условий плавания (в порту, на рейде или в море). Если хотя бы для одного сечения прочность по изгибающему моменту или перерезывающей силе окажется недостаточной для заданного условия плавания, то необходимо перераспределить груз по длине судна.

Рисунок6.1 - Диаграммы контроля прочности по перерезывающим силам (а) и изгибающим момен­там (б) в сечениях по 57 и 96 шпангоутам

6.4. Приближенные формулы контроля общей прочности по изги­бающему моменту на тихой воде в миделевом сечении

При отсутствии необходимых данных изгибающий момент на миделе М® может быть проконтролирован по приближенным формулам.

Общий изгибающий момент представляется в виде суммы:

М®=М_П+ М^ + М_сп. (6.3)

Составляющая изгибающего момента на миделе от веса судна порожнем принимается равной:

M_n=k_nD₀Lg, (6.4)

где D₀ - водоизмещение судна порожнем, т; L - длина судна, м;

к_п - коэффициент, приведенный в табл.6.1; g = 9, 81 м/с² - ускорение свободного падения.

Составляющая изгибающего момента на миделе от сил, входящих в дед­вейт, определяется по формуле:

где |х; | - абсолютная величина абсциссы центра тяжести груза т,, м.

Если плоскость миделя проходит через грузовое помещение, то отдельными сла­гаемыми входят части груза в нос и в корму от миделя, каждая со своим \x_t |.

Составляющая изгибающего момента на миделе от сил поддержания опре­деляется по формуле:

M_cn=-k_c„DLg, (6.6)

где D - водоизмещение загруженного судна, т; к_сп - коэффициент, приведенный в табл.6.2.

Для промежуточных значений у коэффициент к_сп находится линейной интерпо­ляцией.

Если в результате расчета по формуле (6.3) момент М® окажется положи­тельным, то судно испытывает деформацию перегиба, а если отрицательным - деформацию прогиба.

Нормативная величина изгибающего момента на тихой воде определяется по формуле:

M®_don=k₀BL²'³ g,

где в - ширина судна, м;

к₀ - коэффициент, приведенный в табл.6.3.

Прочность на тихой воде считается обеспеченной, если абсолютная величи­на изгибающего момента удовлетворяет условию:

\М®\< М®_доп.

Наибольшая стрелка прогиба корпуса в сантиметрах может быть прибли­женно определена по формуле:

^Мтах L

fmax ~