Местная и общая прочность судна. Особенности контроля общей прочности крупнотоннажных судов

Понятие прочности судна

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. Местная прочность в первую очередь характеризует прочность палуб судна и крышек трюмов, на которые оказывает давление установленный груз. Местная прочность выражается допустимыми давлениями тонн деленных на метр (т/м) и необходимо, чтобы давление от размещенного груза не превосходило величину допустимого.

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

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.

При типовых случаях нагрузки транспортных судов длиной L ≥ 80 м, приводимых в Информации об остойчивости и прочности судна для капитана, общую прочность его корпуса можно считать обеспеченной. Поэтому необходимость проверки общей прочности упомянутых транспортных судов в эксплуатации может возникнуть при загрузке трюмов, отличной от типовых случаев, с большой нерав­номерностью распределения груза по длине судна (например, при загрузке концевых трюмов и отсутствии груза в средних или, наобо­рот, при загрузке средних трюмов и отсутствии груза в концевых трю­мах), а также для выяснения возможности выполнения грузовых операций в порту или на рейде в требуемой последовательности.

Напряженное состояние корпуса судна определяется изгибающим моментом и перерезывающей силой, действующими на судно в раз­личных его поперечных сечениях. Для сухогрузных судов, перевозящих генеральные, лесные и легкие сыпучие грузы, обычно ограничиваются проверкой общей прочности по изгибающему моменту, действующему в миделевом сечении судна..

Полные изгибающий момент и перерезывающая сила при данном состоянии нагрузки судна складываются из изгибающего момента и перерезывающей силы на тихой воде и дополнительных изгибаю­щего момента и перерезывающей силы от морского волнения, которые практически одинаковы при различных осадках судна. Поэтому без большой погрешности допустимо оценивать и проверять напряженное состояние корпуса судна по значению изгибающего момента M_T.B и перерезывающей силы Q_T.B на тихой воде.

Типовая информация об остойчивости и прочности грузового морского судна содержит специальные диаграммы контроля проч­ности, по которым общая прочность судна может быть проверена для любого состояния его нагрузки и в любых условиях его эксплуатации (в рейсе, на рейде, в порту). Каждую такую диаграмму (рис. 11.5) строят в конструкторском бюро на основе формул, приводимых в Правилах Регистра СССР. Поскольку значения моментов сопротив­ления и площади поперечного сечения продольных связей для каждого конкретного судна известны, эти формулы дают возможность вычислить максимальные допустимые значения М_т.в и Q_T.B.

При наличии диаграммы контроля общей продольной прочности судна по изгибающему моменту или перерезывающей силе проверку прочности в данном поперечном сечении осуществляют в следующем порядке:

1. Определяют дифферент судна d_н – d_к.

2. В табличной форме рассчитывают дедвейт судна Δ_w и сумму +М_Х положительных моментов части дедвейта, расположенной в нос от данного поперечного сечения (табл. 11.2).

Рис. 11.5. Диаграмма контро­ля общей продольной проч­ности

3. На диаграмме контроля общей продольной прочности (см. рис. 11.5) откладывают значение дедвейта Δ_w (на рисунке Δ_w = 7000 т). От полученной точки переходят по наклонной прямой к го­ризонтали, отвечающей найденному ранее дифференту судна (в дан­ном примере d_н- d_K = -2м). Через найденную точку проводят вертикаль, на которой откладывают сумму моментов +М_Х и ставят точку А.

Таблица 11.2. Расчет изгибающего момента от грузов, входящих в дедвейт

Дифферент......... м	Р,т	+ Мх, кН·м
Судовые запасы
Перевозимый груз
Балласт
Суммы
Расчет н ая
Допусти м ая от
(в рейсе) до

Прочность корпуса считается достаточной, если точка А находит­ся в безопасной зоне, т. е. для плавания в рейсе, когда она 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 погрузки-разгрузки на рейде и т. д.

Допустимые значения суммы +М_Х определяют по точкам пересе­чения вертикали для заданного дедвейта и дифферента с соответ­ствующими границами и заносят в табл. 11.2.

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 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. Должны быть 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 или сумма моментов этой части дедвейта. 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.

Метацентр, центр величины и центр тяжести судна. Метацентрическая высота как мера начальной остойчивости судна. Признаки отрицательной начальной остойчивости судна и меры по ее улучшению.

Метацентр (от греч. μετα — через и лат. centrum — средоточие) — центр кривизны траектории, по которой перемещается центр величины в процессе наклонения судна. При малых наклонениях судна (примерно, до 10 градусов) метацентр можно считать неподвижным, при больших наклонениях метацентр начинает смещаться. Возвышение метацентра над центром тяжести судна называется метацентрической высотой.

В теории корабля различают два метацентра:

при наклонении судна в поперечной плоскости (крен), метацентр является поперечным, или малым.

при наклонении судна в продольной плоскости (дифферент) — продольным, или большим.

На практике судно испытывает наклонения в обеих плоскостях, и если определить для этого случая метацентр, он будет лежать выше поперечного, но ниже продольного. С этой точки зрения метацентрические высоты, рассматриваемые в теории, являются предельными.

Центр тяжести — точка приложения силы веса судна. Для определения его положения есть два пути: расчетный — составление т. наз. продольной и вертикальной нагрузки судна, производимое по его чертежам; второй — экспериментальное определение положения Ц. Т. С. на плаву.

Центр величины - центр масс погруженного объема тела (подводной части корпуса корабля (судна). Одновременно является точкой приложения всех гидростатических сил, выталкивающих плавающее тело на поверхность. Высота расположения центра величины относительно киля, зависящая от формы объема погруженной части, определяет остойчивость корабля (судна). Например, центр величины у острокильного судна находится выше, чем у судна с плоским дном при прочих равных размерах, этим и объясняется большая остойчивость острокильных судов. При возникновении дифферентов центр величины меняет свое положение.

Поперечное наклонение плавающего судна.

Метацентр обозначен M.

Центр величины обозначен B

Центр тяжести обозначен G

Меры начальной остойчивости

Для практики недостаточно простой качественной оценки — остойчиво судно или неостойчиво, так как степень остойчивости может быть различной, в зависимости от размеров, нагрузки и величины наклонения. Величины, дающие возможность количественно оценить начальную остойчивость, называются мерами начальной остойчивости.

Использование восстанавливающего момента в качестве меры начальной остойчивости неудобно, так как он зависит от угла наклонения. При бесконечно малых углах крена восстанавливающий момент mθ также стремится к нулю и по нему невозможно оценить остойчивость.

Благодаря своему простому геометрическому смыслу метацентрическая высота наиболее часто используется в качестве меры начальной остойчивости, хотя следует иметь в виду, что коэффициент остойчивости дает наиболее полную оценку этого мореходного качества.

Внешними признаками отрицательной начальной остойчивости корабля являются:

— плавание корабля с креном при отсутствии кренящих моментов;

— стремление корабля перевалиться на противоположный борт при спрямлении;

— переваливание с борта на борт при циркуляции, при этом крен остается и при выходе корабля на прямой курс;

— большое количество воды в трюмах, на платформах и палубах.

Последнее является не только признаком, но и основной причиной появления отрицательной начальной остойчивости. При наличии отрицательной начальной остойчивости спрямлять судно затоплением бортовых отсеков нельзя, так как при этом судно может опрокинуться на противоположный борт из-за совместного действия спрямляющего момента и момента от перетекания воды в сторону спрямления. Поэтому прежде всего необходимо восстановить начальную остойчивость либо удалением воды с палуб, либо спуском ее в нижние помещения.

Наличие на судне незакрепленных и подвешенных грузов также уменьшает его остойчивость. Эти грузы при наклонениях судна перемещаются в сторону наклонения и увеличивают кренящий момент.

Особенно резко снижается остойчивость корабля при входе в воду бортовой кромки верхней водонепроницаемой палубы.

На рис. 10 изображена диаг­рамма статической остойчивости судна, имеющего в прямом поло­жении отрицательную остойчи­вость. В этом случае положениям неустойчивого равновесия судна будут отвечать не только точки заката диаграммы В и В', но и начало координат О. Положениям устойчивого равновесия будут соответствовать две точки — С и С'. Таким образом, судно с отрицательной начальной остойчивостью не может плавать в пря­мом

положении; оно будет иметь крен θ₁ на правый борт или равный ему крен на левый борт в зависимости от случайных внешних причин (ветра, волнения, перекладки руля и т. д.). Однако видно, что наличие отрицательной начальной остойчивости еще не может служить основанием для заключения о том, что судно вообще неостойчиво и должно опрокинуться. Судно опро­кидывается только в том случае, когда его диаграмма остойчивости примет вид, показанный на рис. 10 пунктиром, и будет пере­секать ось абсцисс только в одной точке — нулевой.

Для сохранения надлежащей остойчивости судна необходимо:

— все грузы располагать по возможности на штатных местах и обязательно закреплять их по-походному;

— жидкие грузы принимать и расходовать в соответствии с инструкцией и с таким расчетом, чтобы не допускать образования больших свободных поверхностей;

— не допускать перетекания жидких грузов из цистерн одного борта в цистерны другого борта;

— не допускать скопления воды в трюмах;

— немедленно удалять воду из поврежденных отсеков после заделки пробоины;

— скалывать и удалять лед за борт при обмерзании палубы, рангоута и такелажа;

— не допускать касания грунта при стоянке корабля у стенки и следить за швартовыми;

— выяснять причины появления крена и дифферента и устранять их;

— принимать все меры по удержанию крена до входа в воду верхней палубы.