Системы набора корпуса судна

Корпус судна представляет собой оболочку, подкреплённую системой балок – набором. Оболочка состоит из листов наружной обшивки (днища и бортов), внутренней обшивки (переборок) и настилов (палуб, второго дна). Пересекаясь и примыкая друг к другу, они образуют четырёхугольные части корпуса – перекрытия.

Балки набора разных направлений, приваренные к обшивке или настилу, пересекаются под прямыми углами, ограничивая отдельные пластины (не путать с листами!). Пластины могут быть квадратной формы или ориентированы длинной стороной вдоль или поперек судна, вертикально или горизонтально. В зависимости от их ориентации определяют систему набора отдельных перекрытий и корпуса в целом (рис. 2.1). Если длинные стороны пластин располагаются поперек судна - система набора называется поперечной (рис. 2.2, 2.3, 2.4), если вдоль - продольной (рис. 2.5). Если пластины имеют форму, близкую к квадрату, то система набора называется клетчатой (рис. 2.6).

Кроме этих основных систем набора перекрытий существует еще комбинированная система набора, когда в отдельных частях одного перекрытия имеются разные системы набора (рис. 2.7, 2.8).

Система набора корпуса судна в целом определяется системами набора перекрытий днища, бортов и палуб на большей части корпуса (кроме оконечностей). Если эти перекрытия имеют разные системы набора, то система набора судна в целом называется смешанной. В наиболее распространённом варианте смешанной системы набора корпуса судна борт имеет поперечную систему набора, а верхняя палуба и днище – продольную (рис. 2.9, 2.10).

Рис. 2.2. Поперечная система набора деревянного и клёпаного

железного корпусов судов XIX века

Рис. 2.3. Поперечная система набора одинарного днища

Рис. 2.4. Поперечная система набора борта в носовой оконечности судна

Рис. 2.5. Двойное дно с продольной системой набора

2.4. Борт с поперечной системой набора и переборка со стойками

Рис. 2.5. Поперечная система набора борта в носовой оконечности судна

2.5

Рис. 2.7. Схема палубных перекрытий по комбинированной

системе набора:

1 – продольная система набора; 2 - поперечная система набора

При выборе системы набора перекрытия в первую очередь рассматривают два основных вопроса: 1) в какой степени перекрытие воспринимает поперечное давление; 2) в какой степени и каким образом перекрытие работает при общем изгибе корпуса судна.

Рис. 2.8. Комбинированная система набора днищевого перекрытия:

1 – стрингеры; 2 – дополнительные стрингеры; 3 – флоры;

4 – продольные балки; 5 - переборки

Суда длиной менее 80 м имеют относительно небольшие напряжения от общего изгиба корпуса и обычно их связи испытывают преимущественно изгиб от местных усилий по нормали к плоскости перекрытия.

Рис. 2.9. Борт с поперечной системой набора и переборка со стойками

В этом случае ориентация балок набора зависит от соотношения сторон перекрытия. И. Г. Бубнову, основоположнику строительной механики корабля, приписывают такое образное выражение: «Как мост строят не вдоль, а поперек реки, так и при выборе системы набора балки надо располагать поперёк перекрытия – по кратчайшему расстоянию». При этом обеспечивается наименьшая масса перекрытия. Так как обычно перекрытия корпуса вытянуты по длине, то и система набора напрашивается поперечная. Она более выгодна и с технологической точки зрения.

Достоинством поперечной системы набора является также возможность при работе шпангоутов использовать арочный эффект. При криволинейных обводах шпангоуты под действием поперечных нагрузок обладают большей прочностью, чем при плоских. Особенно это сказывается в оконечностях, где напряжения от общего изгиба небольшие, а шпангоуты опираются на ряд горизонтальных платформ. Поэтому здесь предпочтение отдается поперечной системе набора даже на судах длиной значительно больше 100 м. Кроме этого, прочность носовой оконечности на динамические нагрузки от ударов о волны и лёд проще обеспечивается при поперечной системе набора. До конца XIX века морские корабли и суда строили только по поперечной системе набора (см. рис. 2.2).

Примеры конструкций перекрытий с поперечной системой набора приведены на рис. 2.3 – 2.4, 2.9, 2.11 - 2.13.

Рис. 2.11. Сплошной флор днища с поперечной системой набора

Недостатки поперечной системы набора начали сказываться с появлением быстроходных и крупнотоннажных металлических судов и кораблей, конструкция которых вначале была подобна конструкции деревянных судов, что приводило к различным повреждениям корпуса. Научно обосновал необходимость перехода от поперечной системы набора корпуса к продольной и смешанной системам И. Г. Бубнов в 1904 г.

Рис. 2.12. Бракетный флор днища с поперечной системой набора

С увеличением длины судна растут напряжения от общего продольного изгиба корпуса, особенно на удалении от нейтральной оси: в верхней палубе и в днище. Они опасны в первую очередь тем, что могут привести к потере устойчивости сжатых, наиболее гибких элементов - настила палубы или обшивки днища. Балки набора повышают их устойчивость, причём выбор ориентации балок (вдоль сжимающей нагрузки или поперёк) имеет большое значение. А именно, напряжение, при котором теряет устойчивость прямоугольная пластина, подкреплённая с четырёх сторон балками, примерно в четыре раза выше, если сжатие происходит вдоль пластины в отличие от сжатия поперёк.

Рис. 2.13. Облегченный флор днища с поперечной системой набора

Для судов длиной более 100 – 120 м применение поперечной системы набора для днища, а тем более для верхней палубы нежелательно, ввиду сложности обеспечения их устойчивости при общем изгибе судна. Продольная же система набора этих перекрытий позволяет легко обеспечить их устойчивость при сжимающих напряжениях вплоть до предела текучести материала.

Особенно отчётливо преимущества системы набора Бубнова проявились при внедрении в судостроение сварки, при появлении и развитии скоростных судов из лёгких сплавов. Система набора с продольными балками набора позднее с успехом была распространена на конструкции самолётов и других летательных аппаратов.

При продольной системе набора продольные ребра опираются на высокие поперечные балки (флоры, рамные бимсы), через отверстия в которых они проходят. Эти балки устанавливают значительно реже, чем при поперечной системе, тем не менее, они уменьшают объем внутренних
помещений на судне. Поэтому на сухогрузных судах по бортам продольную систему обычно не используют, а высокие поперечные рамы в двойном дне и под палубой размещению грузов не мешают (см. рис. 2.10).

Бортовые перекрытия характерны тем, что несут большую поперечную нагрузку, особенно на судах ледового плавания и судах, часто швартующихся в море в условиях волнения (промысловые, спасательные, буксиры). Нагрузки же от общего продольного изгиба на них влияют в меньшей степени, чем на палубу и днище, ввиду их близости к нейтральной оси эквивалентного бруса корпуса. Поэтому продольная система набора бортов встречается редко – в основном на крупнотоннажных судах.

Тем не менее, на судах открытого типа, где палуба ослаблена широкими вырезами, в верхней части борта наблюдаются большие напряжения от общего продольного изгиба. В этом случае часто применяется комбинированная система набора борта, когда в верхней части добавляются продольные балки.

Участки верхней палубы между люками большинства грузовых
судов слабо нагружены продольными усилиями от общего изгиба корпуса, поэтому они могут иметь поперечную систему набора. Тогда система
набора палубных перекрытий также считается комбинированной (см.
рис. 2.7).

Комбинированная система набора характерна также для перекрытий днища и палубы в районах перехода от средней части судна к оконечностям, так как продольные балки не должны обрываться сразу по всей
ширине корпуса во избежание значительных концентраций напряжений (см. рис. 2.8).

Разновидностью продольной системы является стрингерная система набора (ее еще называют русской), предложенная в начале XX века
И. Г. Бубновым. В такой конструкции продольные балки заменяются стрингерами (рис. 2.14, 2.15). В результате узлы пересечения связей становятся более простыми, надёжными и технологичными.

Рис. 2.14. Флоры двойного дна при различных системах набора:

а – поперечной; б – продольной; в – продольной стрингерной

Клетчатая система набора обычно используется для создания повышенной местной прочности при ударных нагрузках. Такие нагрузки действуют при ударах носовой оконечности о воду, ударах волн в развал борта, а также при движении судна во льдах и при ударах грейферами о днище во время грузовых операций. Такая система обеспечивает повышенную жёсткость и меньшие амплитуды местной вибрации, что объясняет её частое применение в конструкциях машинного отделения и кормовых надстроек (рис. 2.16).