Главная страница Случайная страница КАТЕГОРИИ: АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника |
Прочность корпуса судна
6.1. Общие понятия о прочности корпуса С точки зрения строительной механики корпус судна представляет собой составную балку переменного по длине сечения, уравновешивающую на себе действующие на нее силы. Корпус судна должен обладать достаточной общей продольной и поперечной прочностью, а отдельные его части должны безопасно выдерживать действующие на них местные усилия. Силы, действующие на корпус на тихой воде, состоят из сил веса самого корпуса, механизмов, устройств, всех грузов и запасов, находящихся на судне, а также гидростатических давлений забортной воды. При плавании в море на волнении дополнительно действуют силы инерции всех масс при качке и гидродинамические силы волнения. Если через д(х) обозначить интенсивность нагрузки в сечении х от всех действующих сил, то перерезывающая сила в сечении с абсциссой х найдется по выражению: N(x)= \q(x)dx, (6.1) _L 2 а изгибающий момент - по выражению: М(х)= X\N(x)dx. (6.2) _L 2 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.
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
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 +МХ 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 +МХ 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.
Допустимые значения суммы +МХ могут быть определены по точке пересечения вертикали для заданных дедвейта и дифферента с соответствующими граничными линиями. На диаграмме имеется кривая, соответствующая моменту +МХ, при котором изгибающий момент на миделе равен нулю, при меньших значениях +МХ судно имеет деформацию прогиба, при больших - деформацию пере 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.
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.
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®=МП+ М^ + Мсп. (6.3) Составляющая изгибающего момента на миделе от веса судна порожнем принимается равной: Mn=knD0Lg, (6.4) где D0 - водоизмещение судна порожнем, т; L - длина судна, м; кп - 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 \xt |. Составляющая изгибающего момента на миделе от сил поддержания определяется по формуле: Mcn=-kc„DLg, (6.6) где D - водоизмещение загруженного судна, т; ксп - коэффициент, приведенный в табл.6.2.
Для промежуточных значений у коэффициент ксп 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 ~ ЕI где Мтах - наибольший изгибающий момент вблизи миделя, тм; 7 О Iтах ~ наибольший момент инерции сечения корпуса, м -см; Е - модуль упругости материала корпуса, т/м. При деформации прогиба грузоподъемность судна уменьшается вследствие преждевременногопогружения грузовой марки. Изменение грузоподъемности SD при прогибе приближенно может быть оценено по формуле:
paLBf а pLBf. А 3 - 2а Возможные недогрузки вследствие прогиба на тихой воде для некоторых такке- ров представлены в табл.6.4.
Отметим, что в настоящее время имеются приборы и компьютерные программы, предназначенные для контроля прочности корпуса. 6.5. Местная прочность Под местной прочностью понимают прочность отдельных частей корпуса: днищевых и палубных перекрытий, переборок, платформ, крышек грузовых люков и других конструкций. Местная прочность также должна быть обеспечена, ее нарушение может привести к аварийным последствиям - нарушению непроницаемости корпуса, смещению грузов и другим опасным ситуациям. Прочность отдельных конструкций корпуса также регламентируется Правилами Регистра. В судовой документации оговариваются предельные допустимые нагрузки на отдельные конструкции в виде наибольших нагрузок на 1 м2 площади днище- вых и палубных перекрытий, люковых крышек и т.д. Контроль местной прочности состоит в недопущении перегрузок конструкций по сравнению с установленными для них предельными значениями. Так, при перевозке тяжеловесов с малой опорной поверхностью, необходимо устанавливать под ними настил для разнесения их веса на достаточную площадь так, чтобы удельная нагрузка не превышала допустимой величины. 6.6. Вибрация судна Под вибрацией судна понимают упругие колебания корпуса судна и отдельных его конструкций. Различают общую и местную вибрацию. Общая вибрация - это упругие колебания судна в целом, как единой упругой системы. Колебания отдельных конструкций (перекрытий, отдельных листов обшивки, фундаментов) есть местная вибрация. Основными видами вибрации судового корпуса являются: - вертикальные колебания, происходящие вследствие изгиба корпуса в диаметральной плоскости; - горизонтальные колебания, происходящие вследствие изгиба корпуса в горизонтальной плоскости; - крутильные колебания, при которых поперечные сечения корпуса поворачиваются вокруг продольной оси. Обычно на судах одновременно реализуются все указанные виды вибрации. Из нагрузок, вызывающих вибрацию судовых конструкций, можно выделить три основных вида: - нагрузки, происходящие вследствие неполной уравновешенности главных и вспомогательных механизмов, дефектов изготовления гребного винта, погрешностей центрирования и монтажа гребного вала; - нагрузки, вызванные работой гребного винта вблизи корпуса; - нагрузки от воздействия морского волнения. В результате вибрации в судовых связях возникают знакопеременные периодические напряжения, особо значительные в районах местной вибрации, которые могут вызвать усталостные повреждения конструкций. Такие явления часто наблюдаются в районе расположения гребных винтов благодаря пульсациям гидродинамического давления при прохождении лопасти гребного винта около корпуса судна. Эти пульсации нагрузки имеют лопастную частоту, равную nz, где п - частота вращения винта, z - число лопастей винта. Амплитуда пульсаций давления уменьшается с ростом числа лопастей винта. Поскольку вибрация влияет на усталостную прочность корпусных конструкций и надёжность работы судовых механизмов и оборудования, ее параметры нормируются Правилами Регистра. Причиной сильной вибрации судна может стать волнение. При интенсивной качке может оголяться носовая часть корпуса, при последующем погружении оконечности и встрече с волной возникают значительные гидродинамические давления. Такое явление называется слемингом, оно особенно часто наблюдается при балластных переходах. Слеминг вызывает как местную вибрацию конструкций но
Рисунок 6.9- Влияние вертикальной вибрации на самочувствие человека Зона А - область неудовлетворительного самочувствия; зона В— переходная область; зона С - область нормального самочувствия Рисунок 6. 8 - Влияние горизонтальной вибрации на самочувствие человека Зона А — область неудовлетворительного самочувствия; зона В - переходная область; зона С- область нормального самочувствия
Наряду с техническим нормированием параметров вибрации существуют также санитарные требования, поскольку вибрация отрицательно влияет на самочувствие людей, находящихся на судне. На рис.6.8 представлена зависимость самочувствия человека при воздействии вертикальной вибрации от частоты и наибольшего ускорения (в долях g). На рис.6.9 приведена такая же зависимость при горизонтальной вибрации. Допустимые уровни вибрации для различных судовых помещений отмечены линиями. Самые высокие уровни допускаются в машинно- котельных отделениях при безвахтенном обслуживании, снабженных средствами автоматизации управления механизмами (кривая 1 на рис.6.8). Меньшие нормы допускаются в помещениях с постоянным пребыванием вахтенного механика (кривая 2 на рис.6.8). Значительно меньшие нормы для производственных, служебных и общественных судовых помещений (кривая 3 на рис.6.8). Самые низкие нормы вибрации допускаются для судовых медицинских помещений (кривая 4 на рис.6.8). Вибрация может быть также источником шума, который тоже оказывает отрицательное воздействие на человека. 7. КАЧКА СУДНА 7.1. Основные понятия Теория качки изучает колебательные движения судна, которые оно совершает как твердое тело, плавающее на поверхности воды. Как всякое свободное тело, плавающее судно имеет шесть степеней свободы и может совершать столько же видов движения - три поступательных вдоль взаимно перпендикулярных осей и три вращательных относительно тех же осей. Из этих движений любые смещения и вращение в горизонтальной плоскости не приводят к появлению восстанавливающих сил, и по отношению к ним судно находится в безразличном состоянии равновесия. В отношении же вертикальных перемещений и вращений относительно горизонтальных осей равновесие судна устойчиво. Поэтому на тихой воде судно может совершать три вида качки, называемых основными видами: - вертикальную - поступательные колебания вдоль вертикальной оси; - килевую - вращательные колебания около поперечной оси; - бортовую - вращательные колебания около продольной оси. При плавании на волнении благодаря появлению периодических возмущающих сил в общем случае судно может иметь шесть видов качки - три основных, указанных выше, и три дополнительных: - продольно-поступательную - колебания вдоль продольной оси; - поперечно-поступательную - колебания вдоль поперечной оси; - рыскание — вращательные колебания около вертикальной оси. В частных случаях, которые будут ясны из дальнейшего, судно может совершать не все виды качки, а лишь некоторые из них. Совокупности видов качки, вызывающих движение только в продольной плоскости (например, вертикальной и килевой) или только в поперечной плоскости (вертикальной и бортовой), называются соответственно продольной и поперечной качкой. Качка характеризуется следующими основными параметрами: амплитуда качки - наибольшее отклонение (линейное или угловое) от положения
|