Студопедия

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.

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 +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.

Сечение зл1и1алент- нш бруса
Расчетное сечение горпуса
Нормальные напряжена*
Рисунок 6. 3 - Расчетное сечение и эквивалентный брус
Дедвейт DW, тыс.т Рисунок 6.4- Диаграмма контроля общей прочности

Допустимые значения суммыХ 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 зна­ченияхХ 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.

V V
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;
то

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®=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.

Таблица 6.1 - Значения коэффициента kt
Тип судна к„
Грузовые суда с машиной в корме (сухогрузы и танкеры) 0, 126
Грузовые суда с машиной в средней части 0, 100
Грузо-пассажирские суда с машиной в средней части 0, 0975

 

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.

Таблица 6.2 - Значения коэффициента kt
Коэффициент продольной полноты < р = 0, 5 0, 6 0, 7 0, 8
к СП 0, 0772 0, 0845 0, 0930 0, 1016

 

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:

don=k0BL2'3 g,

где в - ширина судна, м;

к0 - коэффициент, приведенный в табл.6.3.

Таблица 6.3 - Значения коэффициента к0
Тип судна при прогибе (М® < 0) при перегибе (М® > 0)
Сухогрузные суда 0, 0182 0, 0205
Танкеры 0, 0173 0, 0199

 

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

\М®\< М®доп.

max

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:

SD =

paLBf а

pLBf.

А 3 - 2а

Возможные недогрузки вследствие прогиба на тихой воде для некоторых такке- ров представлены в табл.6.4.

Таблица 6.4 - Потеря грузоподъемности от прогиба корпуса
Тип судна Дедвейт, т Потеря грузоподъемно­сти, т
Сплит    
Варшава    
София    

 

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
совой оконечности, так и свободные колебания корпуса судна (випинг). Слеминг может вызвать большие напряжения в основных продольных связях корпуса и соз­дать опасные нарушения общей прочности судна. Морское волнение может вы­звать сильную вибрацию, когда частота основного тона колебаний корпуса оказы­вается близкой к кажущейся частоте волнения при ходе судна. Уменьшить волно­вую вибрацию и випинг можно изменением скорости хода и курса судна.


 

 


                   
         
  1 1 -----      
        Зот и     yj
            г-      
          g  
я              
        у  
        /да а-       __
      IP ш     Fi   ----
        as*1*     !    
    _ г—   УН Гс      
        i         Г
0, 5

■ I.

2 3 4 5 7 10

2030 4050 Частота, Гц

0, 015 0, 010
0, 005
0, 5
..................... 2 3 4 5 7 10
20 30 40 50 Частота, Ги,
20 30 40 50 100 200 300 500 1000 2000 3000 20 30 40 50 100 200 300 500 1000 2000 3000 калУмин, рол/мин
Jb

 

 


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


Поделиться с друзьями:

mylektsii.su - Мои Лекции - 2015-2024 год. (0.018 сек.)Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав Пожаловаться на материал