Нормы Российского морского регистра судоходства по прочности корпусов морских судов

Метод расчётного проектирования, позволяющий создавать оп­тимальные конструкции судовых корпусов, был внедрён в россий­ском судостроении после 1958 г., когда Регистром СССР впервые были выпущены «Нормы прочности морских стальных судов».

Впервые расчётный метод и формулу определения допускаемых напряжений в корпусных конструкциях линейных кораблей пред­ложил в 1908 г. русский инженер-кораблестроитель И.Г. Бубнов (1872‒1919), при участии которого в 1909 г было выпущено 5-томное издание расчётов прочности военных кораблей:

(23)

где σ_min и σ_max — наименьшее и наибольшее по модулю напряжения;

n — коэффициент, учитывающий наличие местных напряжений в различных связях судового корпуса; для общих напряжений значе­ние коэффициента n = 1.

Своей формулой И.Г. Бубнов заложил принципиальные основы нормирования прочности, которые были затем перенесены в транс­портное судостроение и до настоящего времени широко применяют­ся с незначительными поправками.

При использовании этой формулы предполагалось, что при общем изгибе нарушение прочности связей корпуса, испытываю­щих статически переменные (циклические) напряжения, связано с усталостным разрушением. Поэтому в качестве опасного напря­жения (критерия прочности) принимался предел выносливости. Допускаемые напряжения, естественно, дифференцировались в за­висимости от характера действия и изменения по времени нагрузок. При этом различались:

‒ по времени — переменная ударная нагрузка (статическая и динамическая);

‒ по характеру действия — постоянно действующая и случайная.

Со временем взгляды на природу разрушения конструкций кор­пуса изменялись, и в действующие нормы прочности корпусов су­дов были внесены изменения. Так, в изданных в 1958 г. Регистром СССР Нормах прочности в качестве опасного напряжения принят вместо предела выносливости предел текучести, т. е. считается, что переход общих (и суммарных) напряжений за предел текучести при­водит к разрушению корпуса. Такой современный взгляд опирается на результаты опыта. Специальные эксперименты это подтвердили. Поэтому в Нормах прочности допускаемые напряжения нормируют­ся в долях от предела текучести.

Допускаемые напряжения установлены дифференцированно для сухогрузных и наливных судов, общей и местной прочности, а также в зависимости от характера действия и изменения нагрузок. Нормирование допускаемых напряжений тесно увязано с величиной внешней нагрузки, расчётные значения которой также регламенти­руются Нормами, и выполняется в соответствии со специальной «Методикой расчёта прочности морских транспортных судов», в ко­торой рекомендованы расчётные схемы.

При расчёте прочности проектируемого судна ставится главная задача — определение напряжений в заданных элементах судового корпуса под действием заданных внешних нагрузок. Но при этом решается и обратная задача — создание такой конструкции корпуса, которая обеспечивала бы ему заданную прочность, а также необходи­мые экономические показатели при эксплуатации судна.

Цель проектирования корпусных конструкций — выбор их эле­ментов таким образом, чтобы напряжения и (или) деформации не пре­восходили некоторые допустимые величины, установленные на основе опыта проектирования, постройки и эксплуатации судов.

При этом используется основной нормативно-технический до­кумент — «Правила классификации и постройки морских судов Российского морского регистра судоходства», в котором изложены требования к качеству материала, размерам элементов конструк­ций, указания по конструктивному оформлению основных узлов и их изготовлению, техническому надзору в процессе постройки и эксплуатации судов. Считается, что надёжность конструкций обеспечена, если они спроектированы в соответствии с требовани­ями этих Правил.

Поверочные расчёты прочности проводят с использованием норм прочности, разработанных на основе Правил Регистра.

В отечественной практике широко применяется следующая схе­ма проектирования корпусных конструкций.

В соответствии с рекомендациями Правил разрабатывают кон­структивные схемы отдельных перекрытий и определяют расчётные нагрузки, действующие на них. Из условия обеспечения местной прочности определяют толщины листовых элементов и размеры ба­лок набора перекрытий. При этом проверяют устойчивость балок и пластин, выполнение требований к усилению конструкций в от­дельных районах (МО, ледового пояса и др.). Полученные размеры сопоставляют с минимально допустимыми. Находят, исходя из условий обеспечения прочности и жёсткости при общем изгибе корпуса, требуемые значения момента сопротивления, площади стенки и мо­мента инерции поперечного сечения эквивалентного бруса.

Если это необходимо по соображениям общей прочности, коррек­тируют элементы продольных связей корпуса, выбранных из условия обеспечения местной прочности.

Требования к размерам элементов корпусных конструкций устанавливаются Правилами на основе нормирования их прочности к се­редине срока службы, т. е. учитывается неизбежный коррозионный износ. Так, например, толщину пластин находят в виде

δ = (24)

где δ — расчётная толщина из условия местной прочности или устой­чивости;

Δδ — добавка на износ.

Аналогичные зависимости используют и для определения пло­щадей поперечного сечения, моментов сопротивления и инерции балок набора. Добавки на коррозионное изнашивание назначаются в соответствии с рекомендациями Правил.

Величины допускаемых напряжений, входящие в условия про­чности, в соответствии с Правилами назначают в долях от норматив­ных пределов текучести материала:

(25)

где [σ], [τ], [σ]_пр — допускаемые нормальные, касательные и приве­денные напряжения;

К_σ, К_τ, К_пр — соответствующие коэффициенты допускаемых напряжений;

σ_н и τ_н = 0,57 σ_н — норматив­ные пределы текучести по нормальным и касательным напряжениям соответственно, кПа;

σ и τ — расчётные напряжения в рассматривае­мых связях.

Условие прочности по приведенным напряжениям должно вы­полняться для связей, в которых одновременно действуют высокие нормальные и касательные напряжения.

Коэффициент η зависит от предела текучести стали:

кПа 2,35 2,95 315 355 390

η 1,0 0,83 0,79 0,72 0,66.

Для элементов конструкций, которые подвержены действию боль­ших сжимающих напряжений или испытывают значительные сдвиго­вые деформации, Правила устанавливают критические напряжения, зависящие как от эйлеровых напряжений, так и от предела текучести материала.

Необходимая величина момента сопротивления эквивалентного бруса в средней части судна устанавливается из условия обеспечения общей продольной прочности:

(26)

где М_т.в, — расчётные изгибающие моменты на тихой воде и вол­новой на нерегулярном волнении;

[σ] — допускаемые нормальные напряжения от общего изгиба для состояния корпуса к середине сро­ка службы;

ΔW — запас на износ.

Изгибающие моменты определяют в районе миделя независимо от состояния нагрузки по известным рекомендациям. Подсчитанный по ним момент М_т.в сравнивается с М_т.в0, который устанавливается Правилами в зависимости от формы и размеров судна, условий его эксплуатации. Для нахождения требуемого момента сопротивле­ния в вышеприведённую формулу для W подставляется большая из двух величин М_т.в или М_т.в0.

Правилами устанавливается также и минимальная величина момента сопротивления поперечного сечения эквивалентного бруса в миделевом сечении корпуса

(27)

где В, L, δ — ширина, длина и коэффициент общей полноты судна;

h_в.р — расчётная высота волны.

Нормирование Правилами минимальной величины момента сопротивления проводится из условия обеспечения достаточной жёсткости корпуса при общем изгибе. При этом фактически норми­руется максимально допустимый прогиб, поскольку, зная W₀ и поло­жение нейтральной оси, легко найти и момент инерции I₀ поперечно­го сечения эквивалентного бруса.

Для оценки отстояния е нейтральной оси от основной плоскости можно использовать зависимости

е = (0,34 + 0,06 L 10^-2) H — для сухогрузных судов длиной 100 <L< 200 м;

е = (0,44 + 0,03 L 10^{- 2}) H — для танкеров той же длины без двой­ного дна.

Для танкеров большей длины (L > 200 м) рекомендуется прини­мать е = 0,5 H, где H — высота борта судна.

Проверка прочности судовых конструкций осуществляется пу­тём сравнения действующих в них напряжений с допускаемыми. Коэффициенты допускаемых напряжений k_i назначаются в зави­симости от характера воспринимаемой нагрузки рассматриваемым элементом конструкции (общий изгиб, местный изгиб, их сумма), от места расположения сечения (пролёт или опора), от вида учтён­ной внешней нагрузки. Так, например, коэффициент нормальных допускаемых напряжений изменяется для основных элементов судо­вого корпуса в пределах k_σ = 0,35‒0,70.

Второй метод проверки прочности по предельным нагрузкам заключается в сопоставлении действующих напряжений с разрушающими, в качестве которых принимается предел текучести σ_т. Так, условие обеспечения предельной прочности при общем изгибе запи­сывается в виде

где М = σ_ТW_Т;

W_Т — минимальный момент сопротивления эквива­лентного бруса, вычисленный в предположении, что в верхней палу­бе действуют напряжения, равные пределу текучести (включаются только связи, не теряющие устойчивости вплоть до напряжений, рав­ных σ_Т;

М — расчётный момент в рассматриваемом сечении;

п — ко­эффициент запаса по предельным нагрузкам.

В зависимости от типа и размеров судна, характера расчётной нагрузки коэффициент запаса изменяется в пределах п = 1,35‒1,50.

Контрольные вопросы

1. Какая задача ставится при расчёте прочности проектируемого судна.

2. Какой способ расчёта напряжений в элементах корпуса используется на стадии проектирования суд­на и какова последовательность самого расчёта.

3. Какие внешние нагрузки действуют на корпус судна в море и какие они вызывают деформации и на­пряжения.

4. Как изображаются эпюры весовой нагрузки и сил поддержания на диаграммах сил, действующих на корпус, и с какой целью они строятся.

5. Как строится диаграмма перерезывающих сил и изгибающих моментов и какими точками она харак­теризуется.

6. В каких положениях при плавании судна возникают опасные изгибающие моменты и скручивающие усилия, какие меры должен предпринять штурман в штормовых условиях для снижения уровня нагрузок на корпус судна.

7. Что такое "слеминг", от чего, в каком месте судна и когда он возникает, к каким последствиям при­водит, как уменьшить его негативное действие на судно.

8. На каком этапе создания судна и для каких целей строятся "строевая по шпангоутам" и "строевая по ватерлиниям", какие задачи могут быть решены с их помощью.