Прочность корпуса судна

Корпус судна во время постройки, эксплуатации и ремонта испытывает различные по величине и характеру нагрузки. На него постоянно действует сила тяжести, медленно изменяющаяся во времени в зависимости от состояния нагрузки. Во время постройки или докового ремонта она уравновешивается реакциями построечных или доковых опор. При плавании в условиях спокойного моря (на тихой воде) сила тяжести уравновешивается силами поддержания, которые легко и точно можно рассчитать по масштабу Бонжана, предварительно определив осадки носом и кормой. Но равновесие существует для судна в целом. Если мысленно разрезать его в плоскости каждого теоретического шпангоута на элементарные отсеки, способные сдвигаться в вертикальном направлении относительно друг друга, то окажется, что в одном отсеке силы тяжести больше, чем силы поддержания (например, в оконечностях), в другом - меньше. В результате возникает общий продольный изгиб корпуса. У большинства грузовых судов как в грузу, так и балласте на тихой воде наблюдается перегиб - опускание оконечностей, когда палуба растягивается, а днище сжимается; для танкеров в полном грузу характерен прогиб (палуба сжата, днище растянуто). На волнении силы поддержания изменяются (с периодом порядка 10 с или несколько меньше), что вызывает изменение напряжений от общего изгиба. На вершине волны наблюдается максимальный перегиб, на подошве - максимальный прогиб. Судно на волнении испытывает качку, при которой появляется множество других сил (силы инерции самого судна, гидродинамические силы сложной структуры, ударные нагрузки, обусловленные ударами волн в днище - слемингом или в развал борта в надводной части), оказывающих влияние на суммарный изгибающий момент.

Различают общую и местную прочность судна. Общая прочность - это прочность корпуса судна в целом, с учетом нагрузок, распределенных по всей длине. Для большинства судов рассматривается общая продольная прочность, связанная с изгибом в вертикальной плоскости. При плавании косым курсом по отношению к волнению определенную опасность может представлять изгиб в горизонтальной плоскости, когда один борт растягивается, а другой - сжимается. Иногда приходится учитывать поперечную прочность, в частности, для широких низкобортных судов с большим раскрытием палубы и для плавучих доков, а также прочность при скручивании. Местная прочность - это прочность отдельных перекрытий, балок, рам, пластин в составе корпуса.

Всякий расчет прочности связан с решением трех взаимосвязанных проблем: внешних сил (нагрузок, действующих на корпус судна и его конструкции), внутренних сил (нормальных и касательных напряжений, возникающих в элементах конструкции при действии заданной системы внешних сил) и оценки прочности (нормирования допускаемых напряжений и т.п.).

Общая прочность судна рассчитывается, исходя из критериев предельной и усталостной прочности. Критерий предельной прочности предполагает, что при однократном воздействии максимальной опасной волны корпус судна не разрушится, т.е. наибольшие растягивающие напряжения не превысят предел текучести материала корпуса, с учетом потери устойчивости отдельных сжатых связей (выпучивания пластин). Усталостная прочность учитывает возможность появления трещин при многократном (циклическом) нагружении. Важно, что для каждого расчета регламентируются характеристики расчетной волны и способы определения изгибающих моментов. Кроме того, устанавливаются нормы допускаемых напряжений. Не следует думать, что при эксплуатации судна никогда не могут возникнуть изгибающие моменты, превышающие расчетный - во-первых, современное состояние науки не позволяет найти максимально возможные нагрузки, во-вторых, экономически выгоднее допустить с малой вероятностью перелом корпуса, но избежать чрезмерного утяжеления корпусов всех судов без исключения.

Оценка прочности конструкций при изгибе производится путем сопоставления напряжений, возникающих при действии расчетной нагрузки на конструкцию, с допускаемыми, зависящими от применяемого материала и условий работы (например, вида нагрузок - статические или динамические).

Нормальные (растягивающие или сжимающие) напряжения при изгибе (корпуса судна или отдельных балок) рассчитываются по формуле, полученной в науке «сопротивление материалов»:

где M - изгибающий момент в расчетном сечении,

W - момент сопротивления сечения, зависящий от его формы и размеров. Например, для прямоугольника шириной b и высотой h

При проектировании судна толщины листовых конструкций, в первую очередь палубы и днища, определяются с учетом изгибающих моментов, возникающих в корпусе на расчетной волне, за исключением небольших судов, для которых эти толщины определяются, главным образом, из соображений местной прочности и коррозионного износа за срок службы (примерно 20 - 25 лет). При этом необходимо обеспечить требуемый момент сопротивления эквивалентного бруса по обоим критериям.

Эквивалентный брус - это схематизированное поперечное сечение судна в средней части по его длине. В состав эквивалентного бруса включаются все непрерывные продольные связи, имеющие достаточную протяженность. В составе корпуса имеются так называемые “прерывистые связи”, например, надстройки, комингсы грузовых люков и т.п., включение которых в состав эквивалентного бруса производится по определенным правилам. Если некоторые сжатые пластины или балки продольного набора при расчетной нагрузке теряют устойчивость, их площадь соответственно уменьшается.

Определение характеристик эквивалентного бруса производят в таблице, примерный вид которой приведен в табл. 10. В таблицу заносятся данные для половины сечения; толщины связей, расположенных в ДП, при определении площадей делятся пополам. Значения в таблице - условные.

Т а б л и ц а 10

Расчет эквивалентного бруса

№	Наименование связей	Размеры, мм	F, см2	z, м, от ОС	Fz, см2м	Fz2, см2м2	i, см2м2
1	Настил верхней палубы	6000*14	840	5,5	4620	25410	0
2	Ширстрек	1600*16	256	5,0	1280	6400	50
	...	...
25	Горизонтальный киль	1600*16	256	-5,0	-1280	6400	0
		Итого	А	е=В/А	В	С

Здесь F - площади продольных связей, включенных в состав эквивалентного бруса, z - отстояния их ЦТ от горизонтальной оси сравнения, положение которой выбирают произвольно, но лучше, если оно будет близким к действительному положению нейтральной оси, т.е. примерно посередине высоты миделевого сечения, Fz - статические моменты площадей, Fz² - переносные, а i - собственные моменты инерции. А, В, С - суммы чисел в соответствующих столбцах (С - в двух последних). Теперь момент инерции эквивалентного бруса можно найти по формуле:

а момент сопротивления - по формуле

где z_max - максимальное (по абсолютной величине) отстояние связи (как правило, палубы, иногда днища) от нейтральной оси (не от оси сравнения).

Изгибающие моменты в миделевом сечении рассчитывают по формулам, приведенным в Нормах прочности, в зависимости от размеров и других характеристик судна и высоты расчетной волны.

Местная прочность перекрытий и их элементов (балок, пластин), рам, а также других конструкций проверяется на действие определенных расчетных нагрузок, чаще всего обусловленных давлением воды (для палуб и борта; для днищевых перекрытий учитывается противодавление груза). При этом в практических расчетах используются сравнительно несложные расчетные схемы и методы расчета. В последние годы, благодаря успехам науки о прочности и быстрому совершенствованию вычислительной техники, начинают применяться усложненные расчеты, когда общие и местные нагрузки не разделяются, а их воздействие на конструкции оценивается совместно. Для этой цели в разных странах разработаны специальные компьютерные программы. Широкое внедрение таких программ в практику проектирования судовых корпусов в известной мере ограничивается несовершенством норм прочности - выясняется, что без их корректировки более точные методы расчетов ведут к утяжелению конструкций.

Кроме нагрузок, возникающих при плавании судов на волнении, приходится особо рассчитывать прочность при спуске с наклонного стапеля, при постановке в док, когда на отдельные конструкции корпуса действуют повышенные сосредоточенные нагрузки, способные вызвать повреждения.