Контроль и регулирование прочности корпуса судна.

 

Прочность корпуса определяет способность судна восприни­мать действующие в процессе эксплуатации нагрузки, не разрушаясь. Для оценки прочности судна определяют внешние нагрузки, дейст­вующие на корпус, напряжения в различных наиболее нагруженных его элементах и сопоставляют их с нормативными допускаемыми зна­чениями. Если полученные расчетом напряжения не превышают до­пустимое, то прочность корпуса считается обеспеченной. При этом очень важно, чтобы прочность корпуса была достаточной при мини­мальной массе. Корпусы речных судов рассчитывают в соответствии с Правилами Регистра Судоходства Украины.

На корпус движущегося судна могут действовать постоянные и случайные нагрузки. Постоянные нагрузки, действующие в течение всего периода эксплуатации, — это вес корпуса, надстроек, судовых механизмов и принятого груза, силы поддержания и силы сопротивле­ния воды движению судна. Случайные нагрузки воздействуют на кор­пус в течение какого-либо промежутка времени и возникают при уда­рах волн, посадке судна на мель, столкновении судов.

Для упрощения расчетов действующие нагрузки условно делят на две категории: вызывающие общий изгиб корпуса или местный из­гиб отдельных его элементов.

При плавании на тихой воде изгиб корпуса вызывается неравно­мерностью распределения по длине судна сил тяжести и сил поддер­жания. Для построения эпюры весовой нагрузки q_B (рис. 14, а) при­нимают, что силы тяжести, действующие в пределах каждой теорети­ческой шпации, распределены равномерно. Значение этих сил рассчи­тывают для каждой шпации отдельно с учетом всех составляющих. Силы поддержания распределяются по длине судна пропорционально погруженным площадям шпангоутов, что и отражает эпюра этих сил

Полученную ступенчатую нагрузку, равную разности сил тяжести и сил поддержания, называют эпюрой нагрузки судна q (рис. 14, б).

По нагрузке судна вычисляют срезывающие силы F_ТВ и изгибающие моменты М_ТВ, действующие на корпус при плавании на тихой воде. Их определяют соответственно как сумму сил или сумму моментов, взятых слева или справа от рассматриваемого сечения. Значение и знак изгибающего момента в каждом сечении корпуса зависят от характера распределения нагрузок по длине судна. Очевидно, что чем больше не­равномерность нагрузки, тем больше и изгибающий момент.

 

Рис. 14. Эпюры нагрузок, вызывающих общий изгиб корпуса

 

При выходе судна на волну силы поддержания перераспределяют­ся по длине корпуса благодаря_изменению формы погруженного объе­ма. При этом судно может попасть миделем на вершину (рис. 15, а) или на впадину волны (рис. 15, б). В первом случае в палубе возни­кают дополнительные напряжения растяжения (+Ds), а в днище — сжатия (-Ds), что соответствует перегибу корпуса; во втором, на­оборот, палуба подвергается дополнительному сжатию, а днище — растяжению, что соответствует прогибу корпуса.

 

Рис. 15. Положение судна при постановке на волну

 

Наибольшие расчетные изгибающие моменты как для прогиба, так и для перегиба (М_р, кН * м) вычисляют алгебраическим суммирова­нием наибольших значений изгибающих моментов, возникающих на тихой воде, с дополнительным волновым изгибающим моментом М _дв:

 

М_Р = М_ТВ + М_ДВ

 

Аналогично наибольшие расчетные перерезывающие силы как для прогиба, так и для перегиба определяют алгебраическим суммирова­нием наибольших значений перерезывающих сил, возникающих на тихой воде F_TB, с дополнительной волновой перерезывающей силой F_ДВ:

 

F_Р = F_ТВ + F_ДВ.  

 

Способность корпуса выдерживать нагрузки, действующие на отдельные его перекрытия и связи, определяет местную прочность. Среди местных нагрузок выделяют гидростатическое давление при аварийных затоплениях отсеков, сосредоточенные и распределенные силы при приеме и снятии грузов в районе грузоподъемных устройств, реакции кильблоков при постановке в док, сосредоточенные силы при швартовке и буксировке, силы обжатия корпуса льдом при ледовой проводке судна.

Давление воды на поперечное сечение корпуса (рис. 16) определя­ют с учетом движения судна на волнении, т. е. нагрузки на днище q_Д и на борта q_б вычисляют по осадке уровня волновой ватерлинии. Прочность палубных перекрытий должна обеспечивать восприятие поперечной равномерно распределенной нагрузки q_н.

Правилами постройки ледоколов и транспортных судов для пла­вания в ледовых условиях предусматривается комплекс конструктив­ных мероприятий по подкреплению корпуса, обеспечивающих безопас­ность плавания во льдах.

Днищевые перекрытия речных судов проверяют также на восприятие реакции платформ и кильбло­ков косяковых тележек при подъе­ме судов на слипы.

Нормальные s    и касательные t  напряжения в связях корпуса:

 

s = M _P / W;       t  = F_PS/Jt

 

где М_Р — расчетное значение из­гибающего момента, кН * м;

 W — мо­мент сопротивления, м³;

 F_p — расчет­ное значение срезывающей силы, кН;

 S — статический момент площади попе­речного сечения относительно нейтраль­ной оси, м³;

 J — момент инерции площади поперечного сечения относительно нейтральной оси, м⁴;

 t — толщина ли­ста в рассматриваемом сечении по ли­нии кратчайшего разреза, м.

 

Рис. 16. Эпюры нагрузок, действую­щих на поперечное сечение судна

 

Фактические напряжения в конструкциях корпуса вычисляют как алгебраическую сумму напря­жений от общего изгиба и мест­ных нагрузок.

При вычислении напряжений от общего изгиба (рис. 17) в рас­четное сечение корпуса судна для определения момента инерции и мо­мента сопротивления включают все продольные балки набора, а также пояса днищевой и бортовой обшивок и настила палубы. Листы обшив­ки, расположенные между балками набора, при критических нагруз­ках выгибаются и теряют устойчивость. Поэтому усилия общего из­гиба будут воспринимать только пояски обшивки, непосредственно примыкающие к продольным балкам набора. Ширину поясов принимают равной 50t (где t — толщина обшивки корпуса).

 

Рис. 17. Определение напряжений в связях корпуса судна:

/ — продольные балки набора; 2 — пояса обшивки корпуса, включенные в расчет при определении напряжений от общего изгиба

 

По полученным значениям моментов сопротивления рассчитывают нормальные напряжения для всех сечений, которые по высоте корпу­са распределяются по линейному закону. В крайних волокнах па­лубы и днища напряжение достигает максимального значения. В данном случае сечение палубы испытывает напряжение сжатия , а сечение днища — напряжение растяжения + . Положение нейтраль­ной оси, где нормальные напряжения в сечениях корпуса равны нулю, определяется ординатой z_H0.

Существенное значение для обеспечения эксплуатационной проч­ности корпуса имеет как порядок размещения груза в трюме или на палубе (равномерность укладки), так и очередность загрузки трюмов. Нарушение технологии загрузки может вызвать дополнительный из­гибающий момент и привести к перелому корпуса судна. Ре­гистром Украины утверждается инструкция по погрузке, выгрузке и балластировке для судов каждого типа. Отклонение от инструкции может привести к нарушению прочности, поэтому выполнение ее должно строго соблюдаться командным составом судна.

Правилами Регистра установлено два способа расчета прочности:

по допускаемым напряжениям и разрушающим (предельным) нагруз­кам. В первом случае за расчетные напряжения в проверяемой свя­зи корпуса принимают наибольшие нормальные и касательные на­пряжения, которые не должны быть больше допускаемых. Так, сум­марные напряжения от общего изгиба и местной нагрузки в продоль­ных балках набора могут составлять 0,75 _т для сечений посередине пролета и 0,85_т для опорных сечений (где _т — напряжение в свя­зях корпуса, соответствующее пределу текучести).

В поперечных связях корпуса, воспринимающих лишь усилия от местных нагрузок, напряжения могут достигать 0,75_т, а в отдельных элементах водонепроницаемых переборок — предела текучести.

При проверке прочности по касательным напряжениям нормы до­пускаемых напряжений принимают равными половине значения до­пускаемых нормальных напряжений. При этом касательные напряже­ния от общего изгиба не должны превышать 0,3_т. При проверке проч­ности конструкций корпуса по разрушающим нагрузкам устанавли­вают, во сколько раз действующие усилия должны быть меньше пре­дельных, приводящих конструкцию к разрушению.

Для предупреждения потери общей и мест­ной прочности, вызванной неправильным (не­благоприятным) размещением грузов, необхо­дим их контроль в каждом рейсе.

Общая прочность корпуса в судовых ус­ловиях может быть проверена расчетным ме­тодом, с помощью диаграмм контроля прочно­сти, а также с помощью моделирующих (ана­логовых) и цифровых приборов.

Расчетные методы в последнее время ока­зываются неприемлемыми в судовых условиях, так как более точные из них громоздки и не­удобны, а более упрощенные не учитывают влияние распределения груза.

Удачным и перспективным оказался ком­бинированный метод, сочетающий в себе бере­говой этап — расчет прочности на ЭЦВМ, с по­строением рабочих диаграмм контроля прочно­сти и судовой этап — элементарные расчеты вручную или с помощью мини-ЭВМ.

До 1979 г. на суда выдавалась Инструк­ция по загрузке судна с рабочими диаграмма­ми для контроля общей прочности. С 1979 г. эта Инструкция включена в виде раздела в новую типовую форму Информации об остой­чивости и прочности грузового судна. С по­мощью такой Информации проверка прочности производится по изгибающим моментам и пе­ререзывающим силам в тех сечениях корпуса, где могут возникнуть наибольшие напряжения.

Порядок проверки прочности по изгибаю­щему моменту состоит в следующем: в стан­дартную таблицу Информации записываются массы (численно равные весу) Рi грузов, за­пасов и балласта, расстоянии х_{н i} от центров этих масс до плоскости данного сечения. Затем вычисляется сумма моментов М_х - S Р_iх_нi. На диаграмме контроля прочности (рис. 18) по горизонтали, соответствующей дифференту судна, в метрах, откладывается дедвейт DW = S P_i и через полученную точку а прово­дится вертикаль, на которой откладывается сумма моментов М_х = S Р_iх_нi, млн. тс*м. Так получается точка А, характеризующая состоя­ние прочности судна.

Прочность судна по изгибающему моменту в данном сечении считается достаточной, если точка А находится в безопасной зоне, т. е. ле­жит между линиями «Опасно — перегиб в рейсе» и «Опасно — прогиб в рейсе». Если точка А лежит за пределами линий «Опасно — перегиб на рейде» и «Опасно — прогиб на рейде», то прочность достаточна только для плавания в условиях рейда.

Аналогично проверяется прочность по пе­ререзывающим силам, с той лишь разницей, что для этого используется другая диаграмма (рис. 19) и по вертикали откладывается часть дедвейта, расположенная в нос от контролиру­емого сечения. Если хотя бы для одного сече­ния прочность по изгибающему моменту или перерезывающим силам оказывается недоста­точной для заданных условий плавания, необ­ходимо перераспределить груз по длине судна.

Прогиб (перегиб) судна можно уменьшить или устранить перемещением груза или запасов ближе к оконечностям (мидель-шпангоуту).

Использование моделирующих приборов для контроля загрузки с учетом необходимой посадки, остойчивости и прочности позволяет быстро и достаточно точно проверить несколь­ко вариантов загрузки и выбрать приемлемый, а иногда и оптимальный вариант.

С ростом скорости, и размеров судов при плавании на волнении участились случаи слеминга, приводящего к повреждению днища и бортов судна. В наиболее тяжелых случаях по­вреждения охватывают до 30% длины судна в носу, а прогибы достигают 300 мм. что приво­дит к разрыву связей и обшивки корпуса, за­топлению носовых трюмов.

Условия появления слеминга: волнение с встречных курсовых углов;

близость кажущего­ся периода волнения собственному периоду килевой качки; кажущаяся крутизна волны не менее 1/50; скорость вертикальных колебаний корпуса не менее 3,5 м/с. Днищевой слемннг появляется при осадке носом менее 0,04 - 0,05 длины судна.

Для судоводителя важно объективно оце­нить интенсивность удара вря слемииге для решения вопроса о поддержании скорости без опасения повредить корпус.

Из средств приборного контроля слеминга в эксплуатационных целях известны лишь единничные приборы для оценки частоты ударов (на судах типов «Росток», «Зоя Космодемьян­ская»). Практически судоводитель вынужден оценивать интенсивность слеминга чисто субъективно, чаще всего по силе звука и частоте ударов в единицу времени.

 

Рис. 18. Диаграмма контроля общей прочно­сти по изгибающим моментам

 

Регулирование и контроль за обеспечени­ем местной прочности палубных перекрытий, платформ, двойного дна, люковых закрытий осуществляется: путем назначения для каждого перекрытия допускаемых удельных нагрузок. Величины этих нагрузок указаны на чертежах палуб судовой документации и обычно лежат в пределах 1,0—10 тс/м².

 

Рис. 19. Диаграмма контроля общей проч­ности по перерезывающим силам