3.3. Конструктивное устройство основных элементов корпуса и их влияние на прочность судна

Пространственно-упругая конструкция набора корпуса, соб­ранная на основе продольных и поперечных балок-связей, обе­спечивает судну необходимую прочность и позволяет довести толщину обшивки корпуса до минимально приемлемых вели­чин. При этом под прочностью корпусных конструкций понима­ется их способность сопротивляться действию на судно внешних и внутренних нагрузок без разрушения и опасных остаточных деформаций.

Рис. 99. Расчётная схема корпуса в виде эквивалентного бруса

Рассмотрим, какую роль в деле обеспечения общей и местной проч­ности судна играют основные конструктивные элементы корпуса. При этом общую прочность корпуса обеспечивают все продольные конструк­тивные балки-связи, непрерывно простирающиеся по длине не менее, чем на 15 % длины судна. Расчётная схема этих балок-связей представ­ляется в виде эквивалетпного бруса — одной балки переменного по дли­не сечения (рис. 99), изгибающейся под воздействием массы всего судна и сил поддержания со стороны воды. Судно-балка при этом находится под воздействием изгибающих и скручивающих моментов и перерезы­вающих сил, напряжения от которых зависят от величины общего про­дольного изгиба корпуса в вертикальной продольной плоскости. Более подробное рассмотрение расчётной схемы не входило в нашу задачу.

Местную прочность корпуса обеспечивает наружная обшивка днища, бортов и палубы, поперечные и продольные переборки, на­пряжения в которых возникают от воздействия давления забортной воды и находящегося внутри и снаружи корпуса груза и запасов жид­кого топлива (рис. 100).

Рис. 100. Схема давления воды и груза на КС

При проектировании КС стремятся, чтобы масса его конструк­ций при достаточной прочности была минимальной.

Наружная обшивка корпуса состоит из отдельных листов и вме­сте с набором обеспечивает необходимую прочность КС. Длина ли­стов наружной обшивки обычно значительно больше (5‒10 м), чем ширина (1,2‒2,8 м). В оконечностях судна листы уменьшают в разме­рах в целях снижения трудоёмкости их изготовления.

Листы обшивки являются основными связями в поперечных се­чениях эквивалентного бруса (см. рис. 99), которые определяют способность корпуса сопротивляться общему продольному изгибу и об­щему кручению. Кроме этого, листы обшивки вместе с балками набо­ра обеспечивают местную прочность корпуса.

Наружная обшивка состоит из отдельных листов, соединяемых между собой по их длинным кромкам (пазами) и по коротким кром­кам (стыками) с помощью сварки. Листы наружной обшивки ограни­чены со всех четырёх сторон балками набора и испытывают в своей плоскости поперечные и продольные усилия; при этом напряжения от продольных усилий имеют максимальную величину около линии соприкосновения продольного ребра жёсткости с листом по грани­цам b (рис. 101). Поэтому необходимая прочность конструкции в этом месте обеспечивается двойной толщиной — обшивки и полки ребра жёсткости самой балки. Эта часть обшивки листа называется присо­единённым пояском, который, работая вместе с балкой набора, увеличивает её момент инерции и момент сопротивления.

Рис. 101. Присоединённые пояски обшивки, участвующие в изгибе

вместе с балками набора

На рис. 102 показаны нагрузки, действующие на днищевую об­шивку от внешнего давления воды. В зависимости от величины на­пряжений в элементах этой конструкции и роли в обеспечении об­щей и местной прочности корпуса толщины листов в ней принима­ются разными.

Рис. 102. Нагрузки, действующие на днищевую обшивку:

1 - днищевая обшивка; 2 - вертикальная балка (киль); 3 - флор; 4 - днищевой стрингер;

σ_x - напряжение от общего изгиба судна и киля; σ_y - напряжение изгиба флора в составе днищевого перекрытия

Среди листов наружной обшивки особую роль в деле усиления прочности судна играют скуловой пояс, ширстрек, палубный стрин­гер и горизонтальный киль — как наиболее удалённые от нейтраль­ной оси балки, которые при общем продольном изгибе сильно влия­ют на величину момента инерции поперечного сечения эквивалент­ного бруса. Поэтому их, как правило, делают более толстыми.

Толщина обшивки зависит от длины судна, осадки и расстояния между шпангоутами. Так, для судов длиной до 20 м она составляет около 5 мм, а для судов длиной 250 м — доходит до 25 мм. Но даже для одного и того же судна толщина наружной обшивки не везде одинакова. Так, при волнении самые большие изгибающие напряжения судно испытывает в средней части, поэтому там листы толще, чем в оконечностях.

Усиливают также листы наружной обшивки и в районе перехода корпуса в надстройку, в котором наблюдается высокая концентрация напряжений при изгибе судна на волне. Из-за килевой качки усиливают толщину наружной обшивки не только у днищевого набора, но также и в оконечностях судна.

Если судно предназначено для плавания во льдах, толщина бор­товых листов в районе ватерлинии, а также листов настила второ­го дна под люками трюмов и днищевых листов в носовой оконечно­сти принимается большей по сравнению с аналогичными конструк­циями на транспортных судах. Листы горизонтального киля и сред­него пояса транспортных судов усиливают ещё и потому, что вместе с вертикальным килем они образуют мощную балку, которая долж­на выдержать реакцию кильблоков при постановке судна в док и пе­редать усилия этой реакции на поперечные переборки.

Листы обшивки продольных и поперечных переборок танкеров совместно с продольными и поперечными переборками образуют от­дельные отсеки (помещения) для различных сортов наливных грузов.

Общая прочность корпуса зависит в основном от толщины основ­ных конструктивных элементов — главных балок и перекрестных свя­зей набора, а также от системы набора, о чём было сказано выше.

К основным конструктивным элементам корпуса относятся шпангоуты, флоры, стрингеры и бимсы.

При разработке проекта судна места расположения шпангоутов по длине судна и форма их погибов определяются по теоретическому чер­тежу, поэтому принято отличать теоретический шпангоут от конструк­тивного, очертания которого получают после согласования трёх проек­ций теоретического чертежа судна и придания (спрямления) той кривиз­ны их погибов, которая реально может быть достигнута на технологиче­ском оборудовании верфей без снижения пропульсивных качеств судна.

Конструктивный шпангоут (голл. spanthout: spant — ребро, hout — дерево) — криволинейная поперечная балка КС, придающая ему заданную форму и подкрепляющая наружную обшивку, обеспечивая её общую прочность и устойчивость (рис. 103, 104).

На современном морском судне шпангоутом принято называть бортовую часть поперечной балки в районе от днища до палубы или ребро корпуса заданной кривизны (рис. 105, а-д). Это основная балка поперечного набора КС, являющаяся поперечной связью киля с палубой. Днищевая часть шпангоута называется флором.

Шпангоут вместе с флором и подпалубным бимсом, лежащими в одной с ним плоскости, образуют шпапгоутную раму (см. рис. 105, а). Расстояние между шпангоутными рамами при поперечной системе на­бора корпуса равно конструктивной шпации (лат. spatium — простран­ство, промежуток) и составляет 0,5‒0,9 м. Шпангоутные рамы вместе с поперечными переборками обеспечивают прочность и жёсткость кор­пуса. На ледоколах в носу и в корме, а также в свесе крейсерской кор­мы обычных судов шпангоуты и шпангоутные рамы поворотные — их плоскости образуют с обшивкой борта — транцевым л истом — прямой угол (см. рис. 105, б).

Рис. 103. Форма шпангоутов в разных сечениях судна:

МШ (а): 1-3‒ соответственно верхняя, средняя и нижняя палубы; 4 ‒ флор;

носовой (б) и кормовой (в) шпангоуты

Р ис. 104. Формы шпангоутов в оконечностях:

1 ‒ 0-й шпангоут; 2 ‒ 7-й шпангоут; 3 ‒ 10-й шпангоут

Транцевый лист — это лист, расположенный под прямым углом к продольной оси судна и снабжённый подкреплениями — шпангоу­тами. Он соединяется с ахтерштевнем и заменяет в этом месте флор.

Рис. 105. Шпангоуты в бортовом наборе:

а - бортовой набор в районе грузового люка; б - набор крейсерской кормы;

в - бортовой набор трёхпалубного судна; г - связь борта с одинарным дном;

д - бортовой набор в районе МО:

1 - твиндечные шпангоуты; 2 - кницы; 3 - трюмные шпангоуты; 4 - полка скуловой кницы;

5 - скуловая кница; 6 - бимс; 7 - транцевый лист; 8 - кормовые шпангоуты; 9 - ахтерштевень; 10 - продольный комингс; 11 - поперечный комингс; 12 - рамный бимс; 13 - рамный шпангоут; 14 - бортовой стрингер; 15 - промежуточная палуба; 16 - днищевые флоры;

17 - средний кильсон (балка); 18 - соединение шпангоута с флором внакрой

В соединениях с поперечными переборками шпангоуты повыша­ют продольную прочность судна, предотвращая деформирование на­ружной обшивки.

На судах ледового плавания между основными шпангоутами устанавливают дополнительные промежуточные шпангоуты. У су­дов с меньшими ледовыми подкреплениями они ограничены носо­вой оконечностью. На танкерах с продольной системой набора бор­та, а также в тех районах корпуса, где возникают особенно большие напряжения или где КС должен быть особенно жёстким, например в районах МО и больших грузовых люков, устанавливают усиленные шпангоутные профили — так называемые рамные шпангоуты. Они состоят из стенок с приваренными полками.

На концах больших грузовых люков рамные шпангоуты вместе с люковыми концевыми бимсами и люковым поперечным комингсом образуют замкнутую рамку большой жёсткости и прочности. Для подкрепления шпангоутов в носовой и кормовой оконечностях уста­навливают бортовые стрингеры.

Шпангоут в трюме грузового помещения называют трюмным, в твиндеке — твиндечным. Размеры трюмных шпангоутов зависят от величины судна, от осадки и высоты скуловых бракет. Обычные концевые крепления трюмных шпангоутов к бимсам выполняются с помощью книц (см. рис. 105, в). У судов с одинарным дном или с го­ризонтальным настилом второго дна трюмные шпангоуты у наруж­ной обшивки соединяют с флорами внакрой, чтобы обеспечить доста­точную жёсткость на изгиб (см. рис. 105, г).

Шпангоуты выполняют из катаного профиля, в зависимости от требуемого момента сопротивления профиля, или составных про­филей: полособульба, швеллера, двутавра.

Теоретический шпангоут (рис. 106) — кривые линии на проек­ции «Корпус» теоретического чертежа, образованные пересечением поперечного сечения корпуса плоскостями, параллельными плоско­сти МШ. Вследствие симметрии судна относительно ДП на чертеже изображают только половины шпангоутов. Для построения теорети­ческих кривых всех шпангоутов длину судна разбивают на 20 равных участков, не считая сечения MШ, причём 10 носовых шпангоутов на­ходятся справа от ДП, а 10 кормовых шпангоутов — слева; нумерация их идёт от НП в корму, начиная с 0-го. Шпангоуты за КП получают отрицательные номера.

Рис. 106. Теоретические шпангоуты на проекции «Корпус»:

ВП - верхняя палуба

По форме кривых линий шпангоутов, полученных с теорети­ческого чертежа, на стапеле снимают лекала и изготавливают шпан­гоуты на специальном гибочном оборудовании.

Флор (рис. 107, 108) (англ floor — пол, настил) — нижняя часть шпангоутной рамы, основная поперечная балка днищевого настила, служащая продолжением бортовых шпангоутов, с высокой стенкой, приварным или отогнутым пояском.

Поскольку днищевая обшивка корпуса испытывает большие усилия, чем бортовая, конструкция днищевого флора должна быть более прочной. Она зависит от способа крепления к обшивке, систе­мы набора днищевого перекрытия и наличия двойного дна. Па судах без двойного дна флоры устанавливают на каждом шпангоуте. Их изготавливают облегчёнными из листовой стали с вырезами и пояском по верхней кромке, нижней кромкой они привариваются к днищевой обшивке. С бортовыми кромками шпангоутов флоры соединяются с помощью скуловых книц (см. рис. 108). Расстояния между флорами на судах, перевозящих в трюмах тяжёлые грузы, равно расстоянию между бортовыми шпангоутами (шпациями).

Рис. 107. Соединение флора со шпангоутом:

1 - флор; 2 - шпангоут; 3 - кницы; 4 - палуба; 5 - комингс

Рис. 108. Варианты крепления нижнего конца трюмного шпангоута с флором:

1 - шпангоут; 2 - флор; 3 - скуловая кница

При поперечной системе набора на судах с одинарным дном флоры изотавливаются неразрезными до киля, к которому они при­вариваются с обеих сторон. У нижней кромки в стенке флора дела­ются вырезы для стока воды. Высота флора зависит от типа и водо­измещения судна, она колеблется от 250 до 300 мм на речных судах и от 500 до 700 мм — на морских. Толщина стенки флора может быть от 3 до 6‒8 мм, а на крупных морских судах до 12‒14 мм. Для облег­чения массы набора в листах флоров делают круглые или продолговатые овальные вырезы размерами в свету 600 x 400 мм.

Флоры двойного дна бывают сплошные, непроницаемые и бракетные (открытые) (рис. 109).

Сплошные флоры (рис. 109, а) изготавливают из цельного листа и приваривают по контуру к вертикальному килю, днищу и настилу второго дна. Для облегчения конструкции они делаются с лазами и от­верстиями, которые одновременно обеспечивают доступ в междудон­ное пространство, дренаж, вентиляцию и проход непрерывных про­дольных рёбер жёсткости. Эти флоры ставятся в местах повышенной прочности: в районе МО и в носовой части судна. Толщина листа этих флоров составляет около 0,01 высоты, а в местах, где флор подверга­ется интенсивной коррозии, она принимается на 2 мм больше.

Рис. 109. Виды флоров:

а - сплошной проницаемый; б - сплошной непроницае­мый, различной формы и размеров;

в - открытый бракетный; г - сплошной облегчённый:

1 - сплошной флор; 2 - рёбра жёсткости; 3 - непроницаемый флор; 4 - бракета; 5 - верхняя балка; 6 - нижняя балка

При поперечной системе набора сплошные флоры устанавлива­ют на каждом шпангоуте лишь в тех районах днища, которые воспри­нимают значительные нагрузки: в МО и носовой оконечности, а так­же по всей длине корпуса на судах, перевозящих насыпные грузы. Устанавливаются сплошные флоры также в местах, где на днище пере­даются сосредоточенные нагрузки — под поперечными переборками, пиллерсами, фундаментами машин, котлов и т. д. В остальных районах прочность перекрытия вполне обеспечивается при постановке сплош­ных флоров через 3‒4 шпации, но не далее 3,6 м друг от друга. В дру­гих частях КС они чередуются с облегчёнными флорами.

Непроницаемые флоры (рис. 109, б) предназначаются для разделе­ния междудонного пространства на отдельные отсеки. Они изготавливаются из сплошного листа без отверстий; места прохода через них про­дольных балок тщательно обвариваются и проверяются на водонепро­ницаемость. Толщина этих флоров несколько выше, чем сплошных, так как на них действует большее гидростатическое давление, поэтому они подкрепляются вертикальными рёбрами жёсткости через каждые 0,9 м.

Рис. 110. Установка непроницаемого флора во втором дне:

1 - туннельный киль; 2 - непроницаемый флор; 3 - продольные балки днищевого набора;

4 - шпангоуты; 5 - настил второго дна

На днищевой обшивке и под настилом второго дна, сверху над флорами, одну над другой устанавливают продольные балки (рис. 110). На флорах, являющихся непроницаемыми переборками междудонного пространства, балки разрезают и крепят к этим фло­рам кницами или бракетами; через сплошные флоры продольные балки пропускают через специальные вырезы (рис. 111), стенки ба­лок приваривают к флорам.

Р ис. 111. Узлы прохода профилей через проницаемые (а) и непроница-емые (б) флоры: