Прочность корпуса судна

При плавании судна на его корпус действуют внешние нагрузки двух основных категорий:

- силы действующие при плавании на тихой воде;

- силы дополнительные, вызываемые волнением.

Первые определяются довольно просто, вторые - значительно слож­нее, но обе эти категории внешних нагрузок вызываются общим про­дольным изгибом корпуса в вертикальной плоскости.

На тихой воде:

- общие местные нагрузки обусловлены разностью распределения
масс и гидростатических сил поддержания воды (вообще они уравнове­шиваются, но распределены по-разному - см. рис. 2.1 и 2.2);

- нагрузки от вибрации, вызванные гребным винтом;
- температурные нагрузки.

Рисунок 2.1 — Кривая распределения массы судна по длине:

а) приведенная к ступенчатой кривой;

б) не приведенная к ступенчатой кривой

Неуравновешенность сил веса и сил поддержания на отдельных участ­ках длины судна вызывает общий продольный изгиб. Разность между силами веса и силами поддержания на единице длины судна называется интенсивностью нагрузки.

Рисунок 2.2 — Кривая сил поддержания:

1— строевая по шпангоутам;

2 — кривая сил поддержания

В результате общего продольного изгиба в сечениях корпуса возникают перерезывающие силы и изгибающие мо­менты, которые и необходимо определять. Их величина зависит от взаим­ного распределения сил тяжести и сил поддержания по длине судна, и нейтральная ось балки — корпуса при общем продольном изгибе может получить перегиб (ее средняя часть выше концевых участков) или же про­гиб (концевые участки ее выше средней части).

f - стрелка прогиба корпуса;

N._тв- величина перерезывающих сил на тихой воде;

М_тв - изгибающий момент на тихой воде.

При перегибе судна верхняя палуба растянута, а днище сжато, при прогибе — наоборот (рис. 2.3).

Рисунок 2.3 — Общие продольные деформации корпуса

(изгиб в вертикальной плоскости): а — перегиб; б — прогиб

Одно и то же судно при различных вариантах загрузки может иметь как прогиб, так и перегиб.

Для расчетов прочности корпуса судна необходимо знать наибольшие значения изгибающих моментов на тихой воде в наиболее неблагоприят­ных, но возможных условиях его загрузки.

Основные факторы, влияющие на М_тв, могут быть:

- масса, длина и положение по длине ЦТ главных механизмов;

- расположения, форма и размеры грузовых трюмов;

- коэффициент общей полноты судна (С_в);

- масса и расположение запасов.

При определении изгибающих моментов на тихой воде Правилами Ре­гистра установлены стандартные случаи загрузки трюмов, топлив­ных и балластных цистерн, рефрижераторных помещений. Эти случаи пре­дусматривают наиболее неблагоприятные нагрузки, которые могут встре­чаться в нормальных условиях эксплуатации.

Пример: упрощенная схема определения изгибающих моментов в миделевом сечении с машиной в середине длины.

Полный груз, полные запасы:

М_тв = ∆L/100

полный груз, 10% запасов:

М_тв= ∆L/70

При плавании на волнении в дополнение к внешним силам на тихой воде на корпус действуют волновое давление и инерционные усилия, причем перерезывающие силы и изгибающие моменты достигают значитель­ной величины (рис. 2.4).

То есть:

М_р = М_тв + М_в,

где М_р - расчетный изгибающий момент;

М_в - волновая составляющая изгибающего момента.

При определенной загрузке М_тв - величина постоянная, а волнение имеет два максимальных значения: на вершине волны - М^вв_ст и на подошве волны - М^ш,_ст. М_р в этом случае также имеет два максимальных значения. Статическая постановка на вершину и подошву предполагает расположение на миделе соответственно вершины или подошвы волны.

Рисунок 2.4 Волновая ватерлиния при длиной (а) и короткой (б) волне

Кроме рассмотренных силовых воздействий (на тихой воде и волно­вых) на корпусе на нерегулярном волнении воздействуют еще и удары носовой оконечности о воду - слеминг. Особенно эти удары сильны у скоростных судов, имеющих небольшую осадку носом. Для уменьшения ударов снижается скорость хода (и довольно значительно), иначе можно погубить судно. Известны случаи, когда суда переламывались во время шторма при движении с повышенными скоростями.

В 1946 году повышение скорости хода на танкере «Донбасс» привело к тому, что он переломился. В 60-е годы в районе Камчатки при попытке отойти от берега во время шторма переломился пароход «Валерий Чка­лов» (∆ = 15000 т). Скорость при аварии была максимальная, т.к. капитан парохода пытался избежать выброса на мелководье.