Прочности судна в эксплуатации

Контроль остойчивости может осуществляться расчетным путем. Для этого используют диаграмму контроля остойчивости, которая есть в "Информации по остойчивости судна". Для использования диаграммы рассчитывают суммарный момент всех составляющих весовой нагрузки судна: M_z = åm_i z_i

Зная водоизмещение D и момент M_z , находят метацентрическую высоту h . На диаграмме даны предельно допустимые для данного судна значения h (пунктир). Правильность вычисления h можно проверить, накреняя судно. При этом используется формула:

где М_кр - заданный кренящий момент (тм );

q° - угол крена в градусах; D- водоизмещение.

Кроме того, значение метацентрической высоты h можно определить по периоду бортовой качки судна. Существует так называемая "капитанская" формула:

где t_q - период собственных колебаний судна по углу крена (с ) (совпадает с периодом качки при первых колебаниях); С - коэффициент, постоянный для конкретного судна ( С = 0,8 - 0,85); В - ширина судна, м.

Замерив с помощью секундомера период бортовой качки, легко определить значение h.

Контроль общей продольной прочности судна осуществляется с помощью диаграммы контроля прочности. Точка на диаграмме, соответствующая конкретному случаю загрузки судна, должна распола­гаться между ограничивающими линиями 1-2-3 (опасный перегиб судна) и 1*-2*-3* (опасный прогиб судна). Для нахождения точки на поле диаграммы необходимо знать водоизмещения судна D (на некоторых диаграммах дан дедвейт D_w ) , дифферент d_н - d_к и суммарный момент всех грузов, расположенных в нос от миделя судна M_xÅ =åm_i x_i (x_i >0)

Порядок нахождения рабочей точки следующий: от точки на оси абсцисс, соответствующей заданному D ( D_w ), двигаются параллельно наклонным линиям до горизонтальной прямой, характеризующей дифферент судна d_н - d_к. Затем вертикально вверх до значения M_xÅ.

Точка А на рисунке соответствует D_w = 1000 т, d_н -d_к = -I м и М_х Å = 1,0 • 10⁴ тм.

Помимо диаграммы, контроль прочности проводится по разности средней осадки судна d=(d_н+d_к)/2 и фактической осадки на миделе d_Ä . Наличие большой разницы в значениях d и d_Ä свидетельствует об изгибе судна. Регистр РФ не допускает отличия d от d_Ä более чем на 0,2 м для судна длиной 100 м.

9. Изменение остойчивости судна при движении на попутном волнении. Выбор безопасных режимов движения судна вэтих условиях

Практически все параметры остойчивости судна, традиционно определяемые на спокойной воде, при плавании на волнении изменяются. Наиболее ярко это проявляется на попутном волнении при попадании судна на вершину и подошву волны. Вследствие изменения ширины фактической ватерлинии в оконечностях из-за развала борта (и соответственно ее площади и момента инерции I_xf ) метацентрический радиус r возрастает на подошве и уменьшится на вершине волны. Аналогичным образом изменяется начальная метацентрическая высота h₀ (h₀ = z_С + r - z_G ) и диаграмма статической остойчивости в целом.

У малых судов (L < 60 м), движущихся при числах Фруда Fr = 0,28 - 0,40 , возможно опрокидывание в диапазоне курсовых углов 138° - 180° вследствие чрезмерного снижения остойчивости на вершине волны, усугубляющегося взаимодействием волны с собственными корабельными волнами. Для этих судов опасная ситуация сопряжена с длительным пребыванием судна на вершине волны вследствие равенства скоростей судна (V_s) и волн (C_s) c длиной волн l, близкой к длине судна L (l » L, V_s » С_s). Подобные режимы возможны и у крупных быстроходных судов (V_s > 20 уз).

Среднескоростные крупные суда даже с малой начальной остойчивостью движутся гораздо медленнее волн близкой им длины (L » l, С =1,25l^1/2 >0,514 V_s)наибольшую опасность представляет усиленная бортовая качка, которая имеет резонанс именно на попутных курсовых углах (t_к » t_q)

Кроме того при периодическом изменении параметра остойчивости h₀, когда волны обгоняют судно, происходит явление параметрического резонанса при условии t_к = t_q/2 (т.е при большей частоте качки), сопровождающееся большим ускорениями (ускорения пропорциональны квадрату частоты).

Временное снижение остойчивости крупных судов на попутном волнении также имеет место и может представлять опасность, если t_к > 1/4 t_q , то есть когда судно с пониженной остойчивостью успеет получить большое наклонение. Для выбора скоростей и кур­совых углов на попутном волнении служит диаграмма А И.Богдано­ва (см. рис.),где:

1 - опасная зона пониженной остойчивости t_к > 1/4 t_q ;

2- зона усиленной бортовой качки в режиме основного резонанса на волне (l = L) t_к = t_q (±30% t_q );

3 - зона параметрического резонанса t_к = ½ t_q (± 5% t_q );

4,5 - зоны, безопасные при движении на попутном волнении

(l - рабочая точка в безопасной зоне 4).

Для судов малой длины (L ~ 20-50 м) на попутном волнении опасность представляет явление брочинг, характеризующееся за­хватом судна волной (при V_s > 1,3 L^1/2 ), ухудшением управ­ляемости вследствие дифферента на нос, повышения рыскливости, уменьшения эффективности руля, приводящих к резкому развороту судна поперек движения и к его опрокидыванию.

Влияние курса и скорости хода судна на бортовую и килевую качку на регулярном и нерегулярном волнении. Использование штормовых диаграмм для глубокой воды и для мелководья для выбора безопасных режимов движения в шторм

Амплитуды бортовой и килевой качки судна зависят от многих факторов: массы, размеров и формы корпуса судна, метацентрических высот h₀ и Н₀ и частоты волнения, высоты и крутизны волн, а также скорости судна V_s и курсового угла волнения j . При выбранной судоводителем остойчивости и осадке судна ( h₀ и d ) он имеет возможность управлять, в определенных пределах, амплитудами качки судна выбором скорости хода и курсового угла волнения. Воздействие на качку судна через эти параметры возмож­но вследствие того, что их изменение меняет кажущийся период волн t_к, с которым происходит качка судна:

где l - длина волны, м;

С - истинная скорость волны, м с^-1 (С = 1,25 l ^1/2),

а амплитуды качки q₀ и j₀ существенно зависят от t_к .

Если период t_к находится в диапазоне (0,7 ¸ 1,3)t_q, где t_q- период свободных бортовых колебаний судна (t_q = 0,8 B/ h₀^1/2), то судно испытывает интенсивную качку при име­ющейся метацентрической высоте h₀. Наибольшие амплитуды ожидаются при выполнении условия резонанса по бортовой качке t_к = t_q ( h₀ ).

Интенсивная килевая качка происходит, когда длина встречных волн составляет (0,3 - 0,5) L (при малых скоростях хода), при больших скоростях резонанс происходит при более длинных волнах при частоте волнения s_к = (L/2pg)^1/2 (c^-1). На килевую качку оказывает заметное влияние продольный радиус инерции мас­сы судна, определяемый распределением грузов по длине и наличи­ем обледенения.

Для мелких судов резонанс по бортовой качке имеет место при лаговых курсовых углах, когда скорость хода практически не оказывает влияния на t_к - . Для крупных транспортных судов (большие t_q) резонанс по бортовой качке характерен дня кор­мовых курсовых углов. При этом условие резонанса может выполняться при трех значениях длины волны, поскольку уравнение t_к= t_qимеет два решения для l и кроме того судно может об­гонять короткие волны (С = ± 1,25 l ^1/2 ), что соответствует "ка­жущемуся" набеганию волн с другого борта j ₁ = 180° + j .

На мелководье изменяются характеристики волн - длина и ско­рость распространения, поэтому резонанс по качке произойдет при другом сочетании скорости V_s и курсового угла j .

Для выбора курса и скорости судна в условиях волнения существуют штормовые диаграмма Ю.В.Ремеза для глубокой и мелкой зоны, а для кормовых курсовых углов (попутное волнение) - диаграм­ма Л.И.Богданова (см.рязд.9). Штормовая диаграмма позволяет опе­ративно определить резонансные сочетания скорости V_s , кур­сового угла jна глубокой и мелкой воде при заданной метацентрической высоте и зоны усиленной бортовой и килевой качки из условий t_к = (0,7¸ 1,13) t_qи t_к = (0,7¸ 1,13) t_j .

Для их использования следует одним из известных способов (рис.20) определять длину волны и кажущийся период волн t_{к .}

По диаграмме Ю.В. Ремеза для глубокой воды можно решить за­дачу по определении длины волны по известным значениям скорости судна, курсового угла и кажущегося периода волн. Использование диаграммы А.И.Богданова для попутного волнения описано в разд.9.