2015-10-13
4224
13.1 Материал корпусных конструкций.
В качестве основного материала корпуса, фундамента под главные механизмы, и крупных фундаментов принимаем низколегированную судостроительную сталь марки D, с пределом прочности 235 МПа.
В качестве материала надстройки, выгородок и мелких фундаментов принимаем углеродистую сталь марки А, с пределом текучести 235 МПа.
13.2 Конструктивная схема мидельшпангоута.
Конструктивная схема мидельшпангоута показана на рисунке 13.1.
Ширина люка должна быть кратной ширине контейнеров и составляет 12,8м.
Ширина двойных бортов составляем 1600 мм, высота двойного дна составляет 1000мм.
Для судов длиной ≥80 м с широким раскрытием палубы 
по палубе и днищу принимается продольная система набора[1].
Расстояние между днищевыми стрингерами и вертикальным килем или бортом не должно превышать 5м при продольной системе набора.
Таким образом, устанавливаем по одному днищевому стрингеру с каждой стороны от вертикального киля и по днищевому стрингеру в плоскостях вторых бортов.
Наружный борт набираем по поперечной системе набора, внутренний борт выбираем по продольной системе.
В конструкции с двойным бортом должны быть установлены бортовые стрингеры, горизонтальные рамы или листовые диафрагмы на расстоянии не более 2,5м.
На проектируемом судне устанавливаем листовую платформу в районе половины высоты борта, и сплошные вертикальные диафрагмы в плоскостях рамных шпангоутов.
13.3 Конструктивная шпация.
Шпацию между поперечным набором по всей длине судна принята 600 мм.
Шпация между продольным набором принята:
600 мм по палубе в районе двойных бортов;
650 мм по днищу и второму дну;
600 мм в районе двойных бортов.
13.4 Внешние нагрузки на корпус со стороны моря.
13.4.1 Расчетное гидростатическое давление.
Расчетное гидростатическое давление 
,кПа для точек приложения, расположенных ниже летней грузовой ватерлинии определяется по
формуле (13.1).
=ρg 
, (13.1)
где – отстояние точки приложения нагрузки от линии грузовой ватерлинии.
при 
в районе ватерлинии.
При z=T 
= ρgТ=1,025·9,81·6=60,33 кПа – нагрузка в районе днища.
Эпюра гидростатического давления показана на рисунке 13.2.
Расчетное давление обусловлено перемещением корпуса судна относительно профиля волны.
Волновое давление 
, кПа для точек приложения нагрузки, расположенной ниже КВЛ.
= 
-1,5 
, (13.2)
где =5 
, (13.3)
- волновой коэффициент, для судна длиной менее 90 м =0,0856L
=0,0856·85=7,276. Волновой коэффициент умножается на редуцирующий коэффициент 
, который определяется по Правилам[1];
=1 для R1.
= 1 
7,276=7,276.
Коэффициенты, учитывающие влияние скорости 
и длины 
рассматриваемого сечения по длине:
=0,267 для района миделя;
= 
+1,5= 
+1,5=1,96;
0,267·1,96=0,523.
При любом случае произведение 
должно приниматься не меньше 0,6. Таким образом, принимаем 
.
=5·7,276·0,6=21,8 кПа,
при =T 
=1
= -1,5 
=21,8-1,5·7,276=10,886=10,9 кПа.
Волновое давление 
, кПа для точек приложения нагрузки, расположенной выше КВЛ:
= -7,5 
, (13.4)
=21,8-7,50,267(7,3-6)=19,2 кПа.
Эпюра волновых давлений по контуру поперечного сечения показана на рисунке 13.3
Суммарная эпюра давлений забортной воды P= + 
приводится на
рисунке 13.4
13.4.2 Нагрузка от перевозимого груза
Расчетное давление от штучного груза на второе дно определяется по формуле [1]
= 
g(1+ 
), (13.5)
- расчетная высота укладки груза (3 контейнера)
=3·2,44=7,32 м
= 
= 
=0,555 т/м3
– вертикальная составляющая расчетного ускорения
=g 
(1+ka), ka= 0,4 для района миделя,
=9,81 
(1+0,4)=2,8 м/с2
7,32·0,555·9,81(1+ 
) =51,22 кПа,
давление должно приниматься не менее 20 кПа.
13.5 Размеры листовых элементов обшивки корпуса и настилов.
Толщина настилов обшивки S, мм загруженных поперечной нагрузкой должна быть не менее [1]:
S=mak 
+ΔS, (13.6)
где m и kσ – коэффициенты изгибающего момента и допускаемых напряжений.
k=1,2-0,5 
≤1,1,
где a,b – меньший и больший размеры пластины опорного контура,
p- расчетное давление в кПа.
ΔS=U(T2-12) мм,
где Т- срок службы изделия в годах (24года).
U- среднегодовое уменьшение толщины связей, мм/год.
Ϭn-расчетный предел текучести по нормальным напряжениям.
Ϭn= 
МПа,
где η=1 при Reн =235 МПа,
Ϭn= 
=235МПа.
Во всех случаях помимо расчетных значений есть статистические.
Толщина наружной обшивки во всех случаях должно быть не менее[1]:
Smin=(5,5+0,04L) 
=(5,5+0,04·85) 
=8,9=9 мм, (13.7)
Минимальная толщина наружной обшивки 9 мм.
Толщина настила второго дна должна быть не менее[1]:
Smin=(5+0,035L) =(5+0,035·85) =7,97=8 мм, (13.8)
В трюмах под грузовыми люками толщину настила двойного дна следует увеличить на 2 мм. Следовательно, минимальная толщина настила второго дна равна 10 мм.
Толщина настила палубы должна быть не менее[1]:
Smin=(4+0,005L) =(4+0,005·85) =8,25=9 мм, (13.9)
Внутри менее больших вырезов (между люками) минимальная толщина настила определяется по формуле[1]:
Smin=(4+0,004L) =(4+0,004·85) =8=8 мм, (13.10)
Исходя из (13.9) и (13.10) принимаем минимальный настил палубы 9 мм.
13.5.1 Толщина наружной обшивки борта и днища.
Толщина обшивки борта и днища должна быть не менее, определяемой по формуле (13.6).
Для обшивки борта в (13.6):
m=15,8; kσ=0,6; a=0,6м; b=2,7м; Р=71,23кПа; k=1,08; Ϭn=235МПа;
ΔS=0,17(24-12)=2,04 мм; U=0,17 мм/год.
S=15,8·0,6·1,08 
+2,04=9,3 мм.
С учётом (13.7) назначаем толщину бортовой обшивки S=10мм.
Для обшивки днища в (13.6):
m=15,8; kσ=0,6; a=0,65м; b=1,8м; Р=71,23кПа; k=1,02; Ϭn=235МПа;
ΔS=0,14(24-12)=1,68 мм; U=0,14 мм/год.
S=15,8·0,65·1,02 +1,68=9,13 мм.
С учетом (13.7) принимаем толщину обшивки днища S=10 мм.
Толщина горизонтального киля должна быть больше толщины обшивки днища на 2 мм.
Толщину горизонтального киля принимаем S=12 мм..
Ширина горизонтального киля[1]:
bk=800+5L=800+5*85-1225 мм.
Назначаем размер горизонтального киля 12х2380 мм.
13.5.2 Толщина настила второго дна.
Для определения толщины настила второго дна необходимо оценить действующие на него нагрузки. Такими нагрузками являются:
· давление груза pг=51 кПа;
· нагрузка при испытаниях p=7,5hн, где hн- вертикальное отстояние настила второго дна от верха воздушной трубы.
hн =Н- hдд+Δz; Δz=1,5м
hн =7,3- 1+1,5=7,8м
p=7,5·7,8=58,5кПа.
Нагрузка от аварийного затопления отсеков двойного дна.
p=10,5(T- hдд)=10,5(6-1)=52,5 кПа.
Наибольшая нагрузка p=58,5 кПа.
В качестве расчетной нагрузки принимаем давление на второе дно 58,5 кПа.
Толщина настила второго дна.
m=15,8; kσ=0,7; a=0,65м; b=1,8м; Р=58,5кПа; k=1,02; Ϭn=235МПа;
ΔS=0,12(24-12)=1,44 мм; U=0,12 мм/год
S=15,8·0,65·1,02 
+1,44=7,7=8мм
13.5.3 Толщина настила палубы.
Толщина настила палубы должна быть не менее определяемой по формуле (13.6):
Для палубы в (13.6):
m=15,8; kσ=0,6; a=0,6м; b=1,8м; Р=19,2кПа; k=1,03; Ϭn=235МПа;
ΔS=0,1(24-12)=1,2 мм; U=0,1 мм/год
S=15,8·0,6·1,03 
+1,2=4,8=5мм
С учетом (13.9), (13.10) и необходимостью усиления палубы настил между бортом и комингсом грузовых люков принимаем S=14 мм.
13.5.4 Размер ширстрека.
Ширина ширстрека должна быть не менее ширины горизонтального киля, а его толщина не менее толщины листов обшивки борта либо палубного стрингера, в зависимости от того, что больше.
Принимаем размеры ширстрека 14х1400 мм.
13.5.5 Толщина скулового пояса.
Принимается равной толщине обшивки борта или днища, в зависимости от того что больше. Толщина скулового пояса принимается S=10 мм.
13.5.6 Толщина двойных бортов, платформ и диафрагм.
Толщина двойных бортов, платформ и диафрагм должен быть не менее
Smin=4+0,02L=4+0,02·85=5,7=6мм, (13.11)
Назначаем толщину двойных бортов, платформ и диафрагм S=9м.
13.6 Размеры элементов конструкции двойного дна.
Внутри двойного дна все элементы конструкции, включая балки основного набора, ребра жесткости должны быть не менее[1]:
Smin=0,025L+5,5=0,025·85+5,5=7,625=8мм, (13.12)
Минимальная толщина элементов внутри двойного дна должна быть 8 мм.
Минимальная толщина вертикального киля должна быть на 1,5 м больше, то есть 7,625+1,5=9,125=10 мм.
Толщина вертикального киля должна быть не менее [1]:
Smin=αкhp 
ΔS, (13.13)
где hp-высота киля вычисляется по формуле hp= 
+0,04B+3,5 
=0,966
αк=0,03L+8,3=0,03·85+8,3==10,85≤11,2
η=1; ΔS=1,68 мм; U=0,14мм/год;
S=11,8=12 мм.
Толщина вертикального киля должна быть на 1 мм больше толщины флора.
Толщина сплошных флоров вычисляется по формуле:
S=αak +ΔS, (13.14)
α=0,023L+5,8=7,755 ≥6,5, поэтому назначаем 6,5.
k=k1k2; k1=1,45; k2=0,93; ΔS=1,68; a=0,65
S=6,5·0,65·1,35k +1,68=7,4=8 мм.
С учетом (13.12),(13.13),(13.14) принимаем толщину листов флоров S=8мм, толщину вертикального киля S=12мм, толщину днищевых стрингеров S=8мм.
Стенку вертикального киля по обеим сторонам подкрепляем бракетами на каждом холостом шпангоуте.
Толщина бракет вертикального киля, а также бракет междудонного листа должна быть не менее толщины сплошных флоров.
Принимаем толщину бракет во втором дне S=8мм.
Вертикальный киль подкрепляют горизонтальными ребрами, если 
≥160
=83,3; 160 =160; 83,3<160
Условие не выполняется. Подкрепление вертикального киля горизонтальными ребрами жесткости не требуется.
Аналогично решается вопрос о подкреплении стрингеров и флоров горизонтальными ребрами.
=12,5; 160 =160.; 12,5<160.
Условие не выполняется. Подкрепление стрингеров и флоров не требуется.
По сплошным флорам в плоскости продольных ребер жесткости днища и второго дна устанавливает вертикальные ребра, которые доводим до продольных балок и привариваем к ним.
Расстояние между ребрами жесткости (ширина подкрепленного поля балки) должно быть не более[1]:
90S =720 мм.
Выбранное расстояние 0,65м удовлетворяет расстоянию.
Момент инерции вертикальных ребер жесткости по стенкам флора определяется согласно [1] и должен быть не менее
i=γaS310-3, см4 (13.15),
где γ- коэффициент, определяемый по таблице Правил[1] в зависимости от отношения высоты стенки h к расстоянию между ребрами а.
= 
=1,54 γ=2;
i=2·0,65·83·10-3=66,56 см4.
Выбираем в качестве ребра жесткости несимметричный полособульб №6.
Момент сопротивления продольных балок днища.
W=w’ωк cм3, (13.16)
где w’ момент сопротивления балки к середине срока службы.
w’= 
см3
Q=pal,
где а- расстояние между балками, l-пролет балки, Q-поперечная нагрузка,
p-давление воды, m-коэффициент изгибающего момента m=12, 
=0,6, 
=235МПа
w’ –коэффициент, учитывающий поправку на износ и коррозию [1]:
ωк=1+αкΔS,
где αк=0,071+ 
≤0,25 при w’≤200 см3,
l=1,8; a=0,65 м; p=71,23 кПа;
Q=pal=0,65·1,8·71,23= 83,3 кПа,
w’= 
=88,6 см3,
αк=0,07+ 
=0,138,
ωк=1+0,138·1,68=1,23
ΔS=1,68 при U=0,1 мм/год;
W=1,23·88,6=108,98 см3.
В качестве продольного ребра жесткости днища с учетом (13.12) принимаем несимметричный полособульб 14б.
Момент сопротивления продольных балок второго дна рассчитывается по формуле (13.16):
p=58,5 кПа,
Q=0,65·1,8·71,23= 58,5 кПа,
w’= 
=72,87 см3,
αк=0,07+ 
=0,152,
ωк=1+0,152·1,68=1,255,
W=1,255·72,87=91,8 см3.
В качестве продольного ребра жесткости второго дна принимаем несимметричный полособульб 14б.
Скуловые бракеты по высоте должны полностью перекрывать скулу. Их высоту принимаем равной высоте двойного дна 1000 мм.
Толщина скуловых бракет должна быть не менее толщины флоров в данном районе. Принимаем толщину скуловых бракет 8 мм. Скуловая бракета имеет вырез диаметром 300 мм.
Внутри двойных бортов устанавливаем фестонные листы толщиной 8 мм, равной толщине бракеты и толщине флоров.
Конструкция двойных бортов принята согласно рисунку 13.1, что удовлетворяет требованиям Правил.
В соответствии с требованиями Правил нагрузка определяется не только по рисунку 13.4, но и по формуле:
При длине судна более 60 м pmin=10z+0,15L+10=59,5 кПа.
z-отстояние середины пролета шпангоута от ватерлинии,
Принимаем нагрузку на наружные борта большую из двух, то есть 71,23 кПа.
Расчет давлений на обшивку и набор второго борта принимаем равной 58,5 кПа как для настила второго дна.
Толщина диафрагм и платформ должна быть не менее Smin=0,018L+6,2.
Smin=0,018·85+6,2=7,73=8 мм.
Толщину диафрагм, заменяющих равной шпангоут, и толщину платформы, заменяющую бортовой стрингер принимаем S=9мм.
Моменты сопротивления этих элементов должны быть больше моментов сопротивления рамных шпангоутов и бортовых стрингеров, что заведомо обеспечено.
Для доступа ко всем частям двойного борта диафрагмы и платформы должны иметь лазы (вырезы). Суммарная ширина вырезов в одном сечении не должна превышать 0,6 ширины двойных бортов.
Предусматриваем вырезы шириной 450 мм и высотой 1900 мм. Кромки вырезов подкрепляем ребрами жесткости.
Моменты инерции ребер жесткости по стенкам диафрагмы и платформы должны быть не менее рассчитанного по формуле (13.15).
= 
=6,08 γ=2;
i=γaS3·10-3=2·0,60·93·10-3=927,3 см3,
Выбираем несимметричный полособульб 14а.
Момент сопротивления шпангоутов при поперечной системе набора вычисляется по формуле (13.16), в которой давление р=71,23 кПа, l=2700 мм, m=18, =0,65; а=0,6; ΔS=1,2мм; Q=115,4 кПа.
w’= 
=113,3 см3
αк=0,07+ 
=0,123
ωк=1+0,123·1,2=1,148
W=1,148·113,3=130,07 см3
В качестве продольного ребра жесткости второго дна принимаем несимметричный полособульб 14б.
Момент сопротивления продольных балок внутреннего борта п формуле (13.16).
давление р=58,5 кПа, l=1,8м, m=12, =0,65; а=0,6м; ΔS=1,2мм; Q=94,8 кПа.
w’= 
=93,1 см3,
αк=0,07+ 
=0,134,
ωк=1+0,134·1,2=1,16,
W=1,16·93,1=108 см3,
В качестве продольного ребра жесткости второго борта принимаем несимметричный полособульб 14б.
Расчетное давления по участкам верхней палубы[1]:
p=0,7pw2≥pmin, (13.18),
pmin=0,15L+7=0,015·85+7=8,275 кПа,
p=0,7·19,2=13,44 кПа.
Назначаем распределенное давление на верхнюю палубу 13,44 кПа.
Момент сопротивления продольных подпалубных балок рассчитываемая по формуле (13.16), в которой:
p=13,44 кПа; l=1,8 м; m=12; =0,65; а=0,6м; ΔS=1,2мм; Q= 14,51кПа.
w’= 
=14,25 см3,
αк=0,07+ 
=0,421,
ωк=1+0,421·1,2=1,54,
W=1,54 14,51=22,35 см3
По ГОСТ 5353-82 принимаем несимметричный полособульб 14а как у ребер жесткости диафрагм и платформ. Подпалубные бракеты принимаются толщиной равной, меньшей из толщин стенок соединенных балок.
Принимаем толщину бракеты, равной толщине диафрагме 8 мм.
13.8 Ледовое усиление судна
К судам ледового плавания предъявляются особые требования.
На судах категории ICE3 угол входа грузовой ВЛ должен быть не более 50, а так же набор в районе действия ледовых нагрузок должен быть усилен согласно[1].
По длине корпуса судна разделяется на 4 районаА,А1,В,С, границы которых определяются Правилами[1]. В данном разделе рассматривается только средний район, обозначенный В.
По высоте борта и днище в средней части разделяются на следующие районы:
I – район переменных осадок,
II – от нижней кромки района I до верхней кромки скулового пояса,
III – скуловой пояс,
IV – от скулового пояса до ДП.
13.8.1 Расчетная ледовая нагрузка.
Ледовая нагрузка определяется тремя параметрами:
-интенсивностью давления p, кПа;
-высотой распределения b,м;
-длиной распределения l,м.
Интенсивность ледовой нагрузки в средней части судна в районе В I, определяется по формуле:
pBI=1500a3 
=1500·0,33 
=670,5 кПа.
Интенсивность ледовой нагрузки в районах II, III и IV определяется как часть интенсивности ледовой нагрузки в районе I.
pII,III,IV=аBipBI
аBi=ICE 3не регламентируется.
Высота распределения ледовой нагрузки в районе В:
bв=C3C4kд;
kд= 
=1,8≤3,5
где C3=0,3 для ICE3, C4=1;
bв=0,3·1· 
=0,55 м.
Длина распределения ледовой нагрузки в районе В
lв=6bв≥3 
lв=6·0,55=3,3≥4м.
Принимаем длину ледовой нагрузки 4м.
13.8.2 Размеры конструкций в районе ледовых усилений.
Толщина наружной обшивки борта должна быть не менее определенной по формуле
S=S0+ΔS0, (13.19)
S0=15,8а0 
,
ΔS0=0,75TU,
а0= 
, где а- расстояние между балками главного направления =0,6м, а с=b при поперечной системе набора =0,55м.
а0= 
=0,23; U=0,21 мм/год; Т=24 года.
ΔS0=0,75·0,21·24=3,78мм.
S0=15,8 
=6,13мм.
S=6,13+3,78=10мм
Толщина обшивки остается без изменений, назначенная ранее.
Момент сопротивления обыкновенного шпангоута должна быть не менее определяемого по формуле:
W=kшW0, cм3, (13.20)
W0= 
apblYEωм,
где E=1 при lл≥0,5l,
Y=1-0,5β, где β= 
≤1 тогда Y=0,8,
ωм=1,15,
W0= 
0,6·670,5·0,55·2,7·0,8·1·1,15=584,7 см3,
kш= 
=0,69; F=1 при k=4; j=4
W=584,7·0,69=403,4 см3
В качестве шпангоута выбираем несимметричный полособульб 24а, с учетом ледовых усилений.
13.9 Конструкция комингса
Конструктивная схема продольного комингса грузовых люков приведена на рисунке 13.1.
Толщина вертикального листа комингсов люков верхней палубы должна быть не менее 11 мм[1].
В первом приближении толщину стенки комингса принимаем равной 14 мм с последующим уточнением в результате проверки общей продольной прочности.
В качестве полки комингса принимаем полосовую сталь толщиной 16 мм, шириной 350 мм, с отогнутым фланцем в 100 мм.
Для продольного ребра подкрепляющего стенку комингса примем несимметричный полособульб 14а.
Толщину стойки (контрфорса) назначаем равной толщине стойки комингса 14мм, и устанавливаем в плоскостях диафрагм на каждом рамном шпангоуте.
У контрфорса свободную кромку подкрепляем пояском 14х100.
13.10 Фальшборт.
Конструкция должна быть такой, чтобы фальшборт н принимал участия в общем изгибе корпуса [1].
Обшивка фальшборта не должна привариваться к верхней кромке ширстрека. Высота фальшборта от верхней кромки стального настила должна быть не менее 1м.
Стойки должны располагаться у бимсов и привариваться к планширю, фальшборту и палубе.
планширь должен иметь фланец или изготавливаться из полособульбового профиля.
планширь должен иметь фланец или изготавливаться из полособульбового профиля.
Нижнюю кромку фальшборта необходимо подкрепить продольным ребром жесткости.
Принимаем высоту фальшборта 1100мм, расстояние между стойками 1800мм.
Расчетное давление на фальшборт.
pmin=0,02L+14≥15 кПа
pmin=0,02·85+14=15,7≥15 кПа
Принимаем давление р=15,7кПа.
Толщина обшивки S≥0,025L+4 при L≥80м.
S≥0,025·85+4=6.125=7мм
3 мм≤S≤8,5 мм
Назначаем 7мм.
Толщина планширя должна быть толще фальшборта на 1 мм, ширина от 75 до 150мм.
В качестве планширя принимаем несимметричный полособульб 14б.
Толщину стоек принимаем на 1 мм больше толщины обшивки, то есть 8мм.
В качестве горизонтального ребра жесткости принимаем несимметричный полособульб 5.
Поясок контрфорса 8х50, ширина сварного шва 200мм.
13.11Скуловые кили.
Скуловые кили выбираем их условия их размещения. К корпусу судна они крепятся через полосу толщиной 10мм, равной толщине скулового пояса и шириной 200мм.
В качестве скулового киля выбран несимметричный полособульб 24а.
13.12 Размеры элементов обшивки, набора корпуса в первом приближении.
На основании приведенных расчетов приняты размеры корпусных конструкций, которые указаны в таблице 13.1. После этого можно перейти к расчету эквивалентного бруса.
Таблица 13.1 Размеры элементов обшивки и набора корпуса в первом приближении.
| Район корпуса | Элементы набора | Размеры элемента, мм, № |
| 1 Обшивка и листовые конструкции | горизонтальный киль | 12х2380 |
| днищевая обшивка | ||
| скуловой пояс | ||
| бортовая обшивка | ||
| ширстрек | 14х1380 | |
| палуба | ||
| внутренний борт | ||
| настил второго дна | ||
| 2 Днищевой набор | вертикальный киль | |
| днищевые стрингеры | ||
| продольные ребра жесткости днища | полособульб №14б | |
| продольные ребра жесткости 2го дна | полособульб №14б | |
| флоры | ||
| бракеты вертикального киля | ||
| бракеты днищевых стрингеров | 8, 8х75 | |
| скуловая бракета | ||
| вертикальные ребра жесткости флоров | полособульб №6 | |
| фестонные листы | ||
| 3Бортовой набор | платформы | |
| диафрагмы | ||
| шпангоуты | полособульб №24а | |
| продольные р. ж. наружного борта | полособульб №24а | |
| продольные р. ж. внутреннего борта | полособульб №14б | |
| подпалубная бракета | 9, 9х75 | |
| подпалубные ребра жесткости | 9, №14а | |
| ребра жесткости платформы | полособульб №14а | |
| ребра жесткости диафрагмы | полособульб №14а | |
| 4Комингс | стенка | |
| полка, фланец | 16х350,100 | |
| ребро жесткости | полособульб №14а | |
| контрфорс | 14,14х100 | |
| 5Скуловой пояс | полоса | 10х200 |
| полособульб | полособульб №24а | |
| 6Фальшборт | обшивка | |
| планширь | полособульб №14б | |
| ребро жесткости | полособульб №5 | |
| стойка | 8, 8х50 |
