Обеспечение прочности корпуса судна в процессе грузовых работ и в течение рейса
Прочность корпуса судна обеспечивает сопротивление его конструкций разрушению от воздействия сил массы и сил поддержания воды. Прочность условно подразделяется на местную и общую.
Под местной прочностью понимают способность судовых конструкций выдерживать нагрузку на настил второго дна в трюме и на верхнюю палубу (чаще всего при этом имеются в виду крышки трюмов) при наличии палубного груза. Следует знать, что современные суда имеют небольшой запас прочности перекрытий, что явилось результатом экономии массы отдельных конструкций и водоизмещения в целом. Поэтому контроль местной прочности должен выполняться до приёма груза, особенно при перевозке тяжеловесных грузов или навалочных грузов, обладающих малым удельным погрузочным объёмом на судах, специально не предназначенных для таких перевозок.
Для проверки местной прочности применяется так называемая удельная нормативная нагрузка на единицу площади каждого перекрытия (в тоннах на квадратный метр). Она устанавливается при постройке судна, отражается в судовых документах (чаще всего – в «Информации капитану об остойчивости и прочности корпуса судна») и позволяет определить предельную массу груза, который может быть размещён в данном грузовом помещении или на соответствующей площади палубы. Удельная нормативная нагрузка на палубу, как правило, в 2-3 раза меньше таковой на палубу второго дна в трюме. В крайнем случае, при отсутствии такой информации, для сухогрузных судов рекомендуется определять допустимую нагрузку на верхнюю палубу по эмпирической формуле:
| (50), |
где 
- высота борта, м.
Фактическое значение удельной нагрузки на палубу трюма при перевозке навалочных грузов зависит от высоты слоя груза в трюме 
и его удельного погрузочного объёма SF, выраженного в кубических метрах на тонну:
| (51), |
Максимально возможная масса любого груза, которую можно разместить на верхней палубе или палубе трюма без ущерба местной прочности:
| (52), |
где 
- площадь трюма или занятой грузом части верхней палубы, м2.
Общей прочностью корпуса судна называется прочность при общем продольном изгибе. Корпус судна при этом рассматривается, как тонкостенная балка коробчатого сечения. Под действием внешних сил в её элементах возникают нормальные и касательные напряжения. Как следует из курса статики корабля, равнодействующие сил тяжести и сил поддержания на тихой воде равны между собой и проходят по одной вертикали.
Распределение сил поддержания зависит только от посадки судна (распределения объёмов погруженной части судна по его длине) и при данной посадке неизменно (кривая 1 на рис.12). Проще всего построить кривую сил поддержания, умножив ординаты строевой по шпангоутам на плотность воды. Для этой цели можно также использовать масштаб Бонжана, а если судно сидит с дифферентом, то только его. А вот требуемые для обеспечения данной посадки точки приложения весовых нагрузок на судне можно распределить по-разному. Действительно, например, сместив одну часть груза из середины корпуса в нос, а другую часть в корму, можно получить тот же дифферент при той же средней осадке, но силы тяжести по корпусу судна при этом распределятся по-другому.
Для расчёта кривой сил тяжести длину судна разбивают на большое число равных участков (обычно – от 20 до 40). На каждом участке суммируют все составляющие нагрузки (металл корпуса, оборудование, груз, балласт и т.д.). Условно принимая, что в пределах каждого участка нагрузка распределена равномерно, получают ступенчатую кривую сил тяжести (ломаная 2 на рис. 12).
Очевидно, что для судна, находящегося в равновесии, площади под кривой сил поддержания и ломаной сил тяжести должны быть равны, а центры тяжести этих площадей должны лежать на одной вертикали. Но при этом на отдельных участках корпуса судна силы тяжести 
и силы поддержания 
могут быть не равны друг другу (рис. 12).
  
|
Рис. 12 Распределение сил, действующих на корпус судна на тихой воде.
Разность между ординатами кривых сил тяжести и сил поддержания определяет интенсивность нагрузки 
:
| (53). |
Расчётные нагрузки, определяющие общую продольную прочность корпуса судна, включают в себя перерезывающие силы (shear forces) 
и изгибающие моменты (bending moments) 
на тихой воде (рис.12), а также дополнительные волновые перерезывающие силы и изгибающие моменты, возникающие при движении судна в условиях волнения. Такой метод искусственного разделения сил и моментов на силы и моменты на тихой воде и на волнении в иностранной литературе носит название «Метода Мюррея». Волновые силы и моменты, в свою очередь, делятся на гидростатические, обязанные своим появлением изменению формы поверхности воды, и гидродинамические, возникающие из-за орбитального движения частиц воды и слемминга (при его наличии). Продольная качка судна вызывает появление инерционных сил. Для судов с большим развалом бортов требуется также учитывать силы и моменты, возникающие от ударов волн в развал бортов.
Перерезывающие силы и изгибающие моменты на тихой воде в произвольном сечении находятся по очевидным зависимостям:
| (54), (55). |
Вообще, общая прочность корпуса в судовой документации может описываться кривыми 5 разновидностей:
1. Кривые нагрузок по корпусу, показывающие разность между силами тяжести и силами поддержания на различных участках по длине корпуса.
2. Кривые распределения по корпусу сил плавучести.
3. Кривые распределения сил тяжести.
4. Кривые распределения перерезывающих сил.
5. Кривые распределения изгибающих моментов.
Судно в зависимости от соотношения сил тяжести и сил поддержания по его длине (какая из сил доминирует) может изгибаться выпуклостью вниз (прогиб, по-английски – “sagging”) или вверх (перегиб, по-английски – “hogging”). У судов с кормовым расположением машинно-котельного отделения в грузу обычно наблюдается прогиб из-за избытка веса в районе грузовых трюмов, расположенных в средней части судна. При плавании в балласте судно, как правило, имеет перегиб, так как масса полного балласта составляет обычно около половины грузоподъёмности, а основные балластные танки расположены рядом с грузовыми трюмами. Обычно общая прочность при данной загрузке судна проверяется по величине наибольших изгибающих моментов на миделе, так как, практика показывает, что именно в этом месте у большинства судов изгибающие моменты достигают максимума. Наибольшие значения перерезывающих сил наблюдаются, как правило, на ¼ длины судна от оконечностей корпуса (рис. 12).
Волнение моря приводит к тому, что свободная поверхность воды перестаёт быть горизонтальной, соответственно, меняется форма действующей ватерлинии судна и происходит перераспределение сил поддержания вдоль корпуса по сравнению с таковыми на тихой воде (рис.13). Действующий при этом на судно момент можно представить в виде суммы моментов на тихой воде и дополнительного волнового:
| (57). |
|
Рис. 13 Изменение формы водной поверхности и нагрузок от сил поддержания по длине судна на волнении.
Для определения гидростатической составляющей волнового момента используется искусственный приём – статическая постановка судна на волну. Предполагается, что перемещения волнового профиля отсутствуют. Волнение считается регулярным. Максимальный изгибающий момент в миделевом сечении возникает, если середина судна находится на вершине, либо на подошве волны, длина которой близка к длине судна. В реальных условиях подобное положение будет иметь место при движении на попутном волнении, когда скорость судна равна скорости распространения волн. Этот режим плавания наиболее неблагоприятен как с точки зрения прочности, так и с точки зрения остойчивости (из-за уменьшения площади смоченной поверхности) и управляемости (возможно появление брочинга). При постановке судна на вершину волны оно слегка подвсплывает за счёт большей полноты обводов в середине корпуса. При постановке на подошву волны наблюдается противоположная картина.
В судовых условиях общая прочность может быть проверена расчётным методом с помощью диаграмм контроля прочности (где такие диаграммы есть в судовой документации), а также с помощью аналоговых приборов и программ, предназначенных для расчёта прочности, остойчивости и посадки судна. В программу заносятся массы и координаты центров тяжести, а также – границы областей распределения весовых нагрузок (абсциссы концов штабелей груза) по длине судна. Учитывается также заполнение балластных, топливных и прочих цистерн. После вычислений программа в части прочности выдаёт кривые распределения перерезывающих сил и изгибающих моментов по длине корпуса, величины максимальных по длине корпуса перерезывающих сил и изгибающих моментов, а также сравнивает их с допустимыми значениями. Такие программы и компьютеры, на которых они установлены, должны иметь сертификат классификационного общества (Регистра), которому поднадзорно данное судно.
Порядок проверки прочности корпуса судна с помощью диаграмм контроля прочности состоит в следующем:
· В стандартную таблицу записываются массы нагрузок и расстояния от центров этих масс до плоскости мидель-шпангоута.
· Вычисляется сумма моментов по одну (любую) сторону этого сечения.
· На диаграмме контроля прочности (рис. 14) по горизонтали, соответствующей дифференту судна, откладывается дедвейт и через полученную точку проводится вертикаль, на которой откладывается эта сумма моментов.
· Полученная точка характеризует состояние прочности судна по изгибающему моменту в данном сечении. Прочность считается достаточной, если точка находится между линиями «Опасно – перегиб в рейсе» и «Опасно – прогиб в рейсе». Если точка лежит между линиями «Опасно – перегиб на рейде» и «Опасно – прогиб на рейде», то данный вариант загрузки можно использовать только при плавании на спокойной воде, на рейде или в реке.
|
Рис. 14 Диаграмма контроля прочности по изгибающим моментам.
Аналогично проверяется прочность по перерезывающим силам с использованием соответствующей диаграммы (рис. 15). Здесь по вертикали откладывается часть дедвейта, расположенная в нос от контролируемого сечения.
|
Рис. 15 Диаграмма контроля прочности по перерезывающим силам.
Другие методики расчёта перерезывающих сил и изгибающих моментов, изложенные в иностранной литературе, приводятся в курсе лекций автора данного пособия
Библиографический список
1. Жуков Е.И., Письменный М.Н. Технология морских перевозок: Учеб. для вузов морск. трансп. – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Транспорт, 1991. – 335 с.
2. Правила РМРС том 1. 2008.
3. Конопелько Г.И., Кургузов С.С., Махин В.П. Охрана жизни на море: Учебник для вузов. – М.: Транспорт, 1990. 270 с.
4. Снопков В.И. Руководство по проведению сюрвейерских работ на транспорте. Учебное пособие для вузов и факультетов повышения квалификации работников транспорта. – СПб.: АНО НПО «Мир и семья», 2003 г. – 656 с. илл.
5. Дунаевский У.Я., Жбанов А.В. Спасание на море: Справочник. – М.: Транспорт, 1991. – 143 с.
6. Смирнов Н.Г. Теория и устройство судна. – Учебник для речных училищ и техникумов. М.: Транспорт, 1992. – 248 с.
7. Справочник по теории корабля: В трёх томах. Том 2. Статика судов. Качка судов / Под ред. Я.И. Войткунского. – Л.: Судостроение, 1985. 440 с., ил.
8. Маков Ю.Л. Остойчивость … Что это такое? (Диалоги с капитаном), СПб.: Судостроение, 2005. – 320 с. ил.
9. Управление судном: Учеб. Для вузов / С.И. Дёмин, Е.И. Жуков, Н.А. Курбачёв и др.; под ред. В.И. Снопкова. – М.: Транспорт, 1991 – 359 с.
10. Жинкин В.Б. Теория и устройство корабля: Учебник. – 3-е изд., стереотип. – СПб.:Судостроение, 2002. – 336 с., ил.
11. Статика корабля: Учебное пособие / Р.В. Борисов, В.В. Луговский, Б.В. Мирохин, В.В. Рождественский. – 2-е изд., перераб. и доп. – СПб.: Судостроение, 2005. – 256 с., ил.
12. Справочник капитана дальнего плавания / Л.Р. Аксютин, В.М. Бондарь, Г.Г. Ермолаев и др..; под ред. Г.Г. Ермолаева. – М.: Транспорт, 1988. – 248 с.: ил., табл. – Библиогр. 35 назв.
13. Международный кодекс по перевозке зерна навалом.
14. Кацман Ф.М., Коваленко Б.П. Основы остойчивости морского судна. – СПб.: ГМА им. адм. С.О. Макарова, 2003.
15. Кеслер А.А., Начальная остойчивость и её применение в эксплуатационных задачах. Учебное пособие. – Н. Новгород.: ВГАВТ, 1996.
16. Зяблов О.К., Фунтикова У.В. Оценка технического состояния корпусов судов. Методические указания к выполнению лабораторных работ. .– Н. Новгород.: ВГАВТ, 2007.
17. Rawson K. J., Tupper E.C. Basic Ship Theory. First edition. Volumes 1, 2. – London. Butterworth Heinemann, 2001.
18. Derrett D.R., Barrass C.B. Ship stability for Masters and Mates. Firth edition. - London. Butterworth Heinemann, 2003.
19. IMO BC Code - Code of Safe Practice for Solid Bulk Cargoes.
20. International Code on intact stability, 2008.
Оглавление
1. Введение. Виды грузовых планов ……………………….. 3
2. Расчёт остойчивости судна …………………………………. 4
2.1. Общие требования к остойчивости неповреждённого
судна …………………………………………………………4
2.2. Порядок построения диаграммы статической
остойчивости и расчёта начальной метацентрической
высоты …………………………………….………………… 9
2.3. Особенности расчёта остойчивости при перевозке
зерна навалом ………………………………………………15
3. Расчёт посадки судна ..……………………………………21
4. Определение массы груза по осадке судна ……………….26
5. Обеспечение прочности корпуса судна в процессе
грузовых работ и в течение рейса ……………………........34
6. Библиографический список ………………………………....42