Силы, действующие на корпус плавающего судна

На корпус плавающего по воде судна действуют постоянные и временные силы. К постоянным относятся статические силы, такие, как вес судна и давление воды на погруженную часть корпуса — силы поддержания. К временным следует отнести силы, появляющиеся при качке судна на взволнованной поверхности воды: силы инерции масс судна и силы сопротивления воды.

Силы, действующие на судно, плавающее на тихой воде, несмотря на равенство их равнодействующих, по длине корпуса распределяются неравномерно. Силы поддержания, как известно, распределяются по длине соответственно погруженному в воду объему корпуса и характеризуются формой строевой по шпангоутам. Силы же веса распределяются по длине корпуса в зависимости от расположения его элементов, таких, как переборки, надстройки, мачты, механизмы, установки, грузы и т. п. Фактически получается так, что на одном участке по длине корпуса силы веса преобладают над силами поддержания, а на другом — наоборот.

Рис. 39. Изгиб корпуса судна, вызванный неравномерным распределением действующих на него сил. 1 — кривая сил веса; 2 — кривая сил поддержания.

От непропорционального распределения по длине корпуса сил веса и сил поддержания возникает общий продольный изгиб корпуса судна (рис. 39).

При плавании судна на взволнованной поверхности на его корпус действуют силы поддержания, все время меняющие свою величину на отдельных участках длины судна. Максимального значения эти силы достигают тогда, когда судно идет курсом, перпендикулярным направлению волны, длина которой равна длине судна. При прохождении вершины волны у миделя, в средней части корпуса образуются избыточные силы поддержания с недостатком их в оконечностях. От неравномерного распределения сил поддержания в этом случае получается перегиб корпуса (рис. 40, а). Через короткий промежуток времени судно переходит на подошву волны, при этом избыток сил поддержания перемещается к оконечностям, отчего возникает прогиб корпуса (рис. 40, б).

Вследствие качки судна, возникшей на волнении, на корпус действуют силы инерции, оказывающие на него дополнительное воздействие, а во время плавания с большой скоростью против крупной встречной волны при ударе днищевой частью носовой оконечности о воду (явление слеминга) возникают дополнительно ударные или динамические нагрузки.

Рис. 40. Продольный изгиб судна на взволнованной поверхности воды: а —па вершине волны; б — на подошве волны.

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.

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

Кроме прочности, конструкции судна должны обладать также устойчивостью, т. е. они не должны изменять своей формы под действием сжимающих усилий (например, не должно происходить выпучивания палуб, изгиба переборок и т. п.). Для обеспечения необходимой устойчивости конструкций на них устанавливают дополнительные ребра жесткости или другие какие-либо подкрепления.

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.

В строительной механике корпус принимается как пустотелая составная балка сложной конструкции. Расчет такой балки сводится к вычислению момента сопротивления так называемого эквивалентного бруса, представляющего собой условную составную балку, отдельные части которой имеют площадь и расположение по высоте, аналогичные соответствующим элементам прочных связей корпуса, участвующим в обеспечении продольной прочности судна.

Приближенно наименьшее значение момента сопротивления определяется по формуле

где η — коэффициент утилизации площади сечений, равный 0,5— 0,55;

F — площадь сечения продольных связей;

Н — высота борта судна. Внутренние напряжения б^вн при изгибе балки, как известно, находят по формуле

где М — наибольший изгибающий момент по длине судна. Изгибающий момент зависит от водоизмещения и длины судна и выражается зависимостью

где k — коэффициент пропорциональности, изменяющийся в пределах от 20 до 40 в зависимости от типа судна.