Нагрузки, действующие на судно, и их оценка. Понятие прочности корпуса судна

Глава четвёртая

НАГРУЗКИ, ДЕЙСТВУЮЩИЕ НА СУДНО В МОРЕ. ПРОЧНОСТЬ КОРПУСА

Нагрузки, действующие на судно, и их оценка. Понятие прочности корпуса судна

Прочность судна — это способность корпуса воспринимать дей­ствующие на него внешние и внутренние нагрузки (силы) без разру­шения или остаточных деформаций. Судно считается прочным, если его корпус выдерживает следующие внешние нагрузки, действую­щие на него при эксплуатации (рис. 161):

‒ весовая нагрузка — вес судна и всех находящихся на нём гру­зов, механизмов и оборудования;

‒ гидростатическое давление воды (силы поддержания), дей­ствующее на наружную обшивку погружённого в воду судна;

‒ гидродинамическое давление воды, оказываемое на корпус при ударах волн;

‒ силы инерции, возникающие при качке от всех масс, располо­женных на судне.

Рис. 161. Расположение главных сил, действующих на судно:

а - силы поддержания; б - равнодействующие сил веса и сил поддержания;

P - сила веса судна; D - сила поддержания; С - центр величины; G - центр тяжести судна

Весовую нагрузку и гидростатическое давление воды на корпус относят к статическим нагрузкам, влияние которых на корпус не ос­тавляет на нём заметных последствий.

Удары волн о корпус в шторм и инерционные нагрузки при качке относят к динамическим (внезапным) нагрузкам, которые могут носить остаточный характер, их последствия — вмятины или пробоины.

Рис. 162. Нагрузка судна:

а - кривая сил веса; б - кривая сил поддержания (с приведением к ступенчатой кривой);

в - наложение кривой сил веса на кривую сил поддержания;г - резуль­тирующая кривая нагрузки, действующей на судно:

1 - избыток сил веса; 2 - избыток сил поддержания

При плавании в реальных морских условиях (на косом волнении) КС испытывает ещё и деформации кручения, в результате которых в оп­ределённых местах судна возникают напряжения изгиба и растяжения.

Конструктивные элементы корпуса должны обладать достаточной прочностью и жёсткостью, чтобы сопротивляться силовым нагрузкам, т. е. днищевые, палубные и бортовые перекрытия должны рассчиты­ваться на допустимые напряжения сжатия и растяжения от внешних нагрузок согласно «Нормам прочности стальных морских судов».

Из схемы действия главных сил на КС (см. рис. 161) видно, что сила веса Р всего судна направлена вертикально вниз, а навстречу ей действует равная по величине сила поддержания D. Сила веса прило­жена в ЦТ судна, а сила поддержания — в ЦВ, т. е. в геометрическом центре подводного объёма судна.

Чтобы знать, как они влияют на прочность корпусных кон­струкций, необходимо распределить их по длине судна через каждую шпацию. Точки приложения сил веса будут лежать в ЦТ механизмов и грузов, размешённых по длине судна, и графически в масштабе будут изображаться ступенчатой ломаной линией, как это показано на рис. 162, а.

Диаграммы, изображающие распределение сил по длине судна, называют эпюрами нагрузки судна (см. рис. 162).

Эпюра весовой нагрузки, или кривая сил веса (тяжести), судна показывает, что вес груза по 20 теоретическим шпациям распреде­лён неравномерно, и это естественно, так как веса надстроек, меха­низмов, водяного балласта в двойном дне и судовых запасов распределены в разных частях по длине судна. Поэтому, чтобы эпюра весов на каждой шпации не носила ступенчатый характер, её сглаживают плавной кривой, проведённой через концы отрезков, характеризую­щих величины нагрузок на каждой шпации.

Точно так же строится и ступенчатая кривая сил поддержания D (рис. 162, б), действующих на те же шпации, на которых строилась и кривая сил Р, ординаты откладывают в масштабе давления воды.

Кривую сил поддержания строят для судна, плавающего на ти­хой воде и на волнении в положении на подошве волны или на её вершине, длину волны принимают равной длине судна.

После наложения эпюр весовой нагрузки и сил поддержания друг на друга (рис. 162, в) можно убедиться, что они не совпадают и не уравновешивают друг друга на каждой шпации, так как распре­делены неравномерно по длине судна. Разность сил веса и поддержа­ния называется нагрузкой, которая откладывается в соответствии с направлением преобладающих сил по обе стороны прямой. Таким образом, получают эпюру суммарной нагрузки судна (рис. 162, г). На одних участках (нос и корма) суммарная нагрузка будет действо­вать сверху вниз, а на других — снизу вверх (ближе к середине), вы­зывая общий продольный изгиб КС.

Эпюра суммарной нагрузки судна и будет представлять собой действие на судно внешних сил (тяжести и поддержания) (рис. 163), создающих изгибающий момент, на который проверяют общую про­дольную прочность КС.

Рис. 163. Типичная форма кривых для грузового судна:

1 - кривая сил поддержания, тс/м; 2 - кривая сил веса, тс/м; 3 - кривая изгиба­ющего момента, тc м; 4 - кривая перерезывающей силы, тс; 5 - кривая нагрузки, тс/м

Интегральная кривая от нагрузки называется диаграммой пе­ререзывающих сил, которые стремятся сдвинуть левую часть судна относительно правой.

Суммируя элементарные моменты перерезывающих сил, полу­чим диаграмму изгибающих моментов, которая является интеграль­ной кривой диаграммы перерезывающих сил.

Практика показывает, что для большинства морских транспортных судов традиционных обводов максимальные значения изгибающего мо­мента имеют место в районе миделя независимо от состояния нагрузок, что хорошо видно на рис. 163. Его можно определить с помощью следу­ющего выражения:

М_т.в = К_т.в gDL (12)

где К — коэффициент, определяемый нагрузкой судна по графику (рис. 164, а, б);

D, L — водоизмещение (т) и длина (м) судна.

Рис. 164. Зависимость коэффициента К_т.в от коэффициента полноты δ и длины L судна:

а - сухогрузные суда; б - танкеры

Приведённая на рис. 163 типичная форма кривых для грузового судна позволяет установить следующую взаимосвязь между нагруз­кой, изгибающим моментом и перерезывающей силой:

— пиковые величины перерезывающей силы располагаются в тех точках по длине судна, в которых кривая нагрузки пересекает ось абсцисс х-х;

‒ кривая изгибающего момента имеет максимум в точке В, где ордината кривой перерезывающей силы равна нулю;

‒ точки перегиба кривой изгибающего момента А находятся в тех местах, где ординаты кривой перерезывающей силы имеют пи­ковые величины, а кривая нагрузки пересекает ось абсцисс х-х.

По существу, кривая изгибающих моментов характеризует собой те наибольшие усилия, которые испытывает судно. Эти усилия со­здают перегиб при положении судна на вершине волны, или прогиб, когда судно находится на подошве волны, т. е. вызывают общий про­дольный изгиб, который является наиболее опасным для палубных и днищевых перекрытий.

Характерные положения судна на волнении, при которых воз­никают опасные изгибающие и скручивающие моменты, показаны на рис. 165.

Рис. 165. Нагрузка на судно в условиях волнения:

а - судно на вершине волны; б - судно на подошве волны; в - судно на косом волнении

При положении на вершине волны (рис. 165, а) средняя часть судна глубоко погружена в воду и сила поддержания в этом месте больше силы тяжести. Оконечности судна, наоборот, оказываются оголёнными. В этих районах действуют лишь небольшие силы под­держания и преобладают силы тяжести. В результате возникает де­формация корпуса, называемая перегибом, при которой палуба ока­зывается растянутой, а днище — сжатым.

При положении судна на подошве волны (рис. 165, б) оконечности судна глубоко погружены в воду, а средняя часть оголена. Силы поддержания преобладают над силами тяжести только в оконечностях. Это приводит к деформации корпуса, называемой изгибом. Палуба судна оказывается сжатой, а днище — растянутым. Кроме того, по­ложение судна на подошве волны при вертикальной качке приводит к увеличению суммарного изгибающего момента, в то время как при положении на вершине волны — к его снижению. Диаграмма дейс­твующих изгибающих моментов и перерезывающих сил на верши­не и подошве волны показана на рис. 166.

Рис. 166. Перерезывающие силы и изгибающие моменты на вершине и подошве волны

При положении судна под углом к набегающим волнам (на ко­сом волнении) (рис. 165, в) возникает сложная картина. Профиль волны по бортам оказывается различным, что вызывает асиммет­ричное распределение сил поддержания и появление значительных скручивающих моментов, создающих в судовых конструкциях на­пряжения сдвига. В наибольшей степени таким деформациям под­вержены крупные морские суда с широкими люками и контейнеро­возы, имеющие большое «раскрытие» палуб.

Способность КС выдерживать действие внешних сил, вызыва­ющих его продольный изгиб (прогиб или перегиб), называют общей продольной прочностью КС, а вызывающих сжатие, перекос и попе­речный изгиб, — поперечной прочностью КС.

Для судна большие прогибы и перегибы очень опасны, поэтому сле­дует избегать укладки тяжёлых грузов на коротких участках длины судна.

За счёт перераспределения сил поддержания при качке появля­ются дополнительные нагрузки в виде инерционных и гидродинамических сил, которые на 10‒12 % выше статической нагрузки. Чтобы снизить уровень этой нагрузки, принято «ставить судно на волну» в том случае, если длина её равна длине судна; тогда можно считать, что силы, действующие на судно, будут статическими, и можно пре­небречь силами инерции.

Наибольшие величины дополнительной перерезывающей силы ΔN и изгибающего момента ΔМ возникают при длине волны, близкой к длине судна, для положений на вершине и подошве волны.

При расчётах прочности, как правило, анализируют нормальные и касательные напряжения.

Нормальные напряжения возникают от действия растягивающих или сжимающих усилий, действующих перпендикулярно к площади поперечного сечения корпуса. Касательные напряжения обусловлены наличием сил, действующих вдоль плоскости корпуса и стремящихся сдвинуть верхние слои металла корпуса относительно нижних.

Наряду с рассмотренными силами носовая часть КС на волне­нии воспринимает ударную нагрузку о воду (слеминг) от вертикаль­ной и килевой качки, обусловленную действием инерционных и гид­родинамических сил. Возникновение слеминга отмечается, прежде всего, в балластном рейсе, а также у судов с малой осадкой и плоским днищем. Слеминг приводит к значительному возрастанию продоль­ного изгибающего момента, появлению значительных динамических нагрузок на днище. Наибольшие напряжения от ударных нагрузок при слеминге наблюдаются в районе миделя и достигают 15‒30 % от допускаемых в палубных связях при общем изгибе. Для снижения вероятности появления слеминга и сглаживания его последствий обычно увеличивают осадку носом, применяют V-образные обводы шпангоутов в носовой части, снижают скорость судна.

В то же время при V-образных обводах волновой изгибаю­щий момент оказывается выше на 25‒30 %, чем при U-образных, что лишний раз подтверждает противоречивость требований к форме корпуса с позиций мореходных и прочностных качеств судна. Поэтому предпочтение отдаётся мореходным качествам, так как V-образная форма обводов снижает сопротивление судна на волнении, а также амплитуды килевой и вертикальной качки. При разрешении этого противоречия исходят из вероятностного метода анализа, позволяющего определить экстремальное зна­чение волновой нагрузки, которое, согласно отечественной и зарубежной практике, имеет место один раз за 20-летний период эксплуатации судна. При этом количество изменений (циклов) вертикального момента за 20 лет эксплуатации судна принимается равным 10⁸ при среднем периоде цикла, равном 6 с.