§ 20. Требования к общей продольной прочности судна

Понятие общей прочности. Общая прочность — это способность корпуса при общем изгибе судна воспринимать внешние нагрузки в предусмотренных проектом условиях эксплуатации без разрушения, с сохранением непроницаемости и формы конструкций (с возможными деформациями в допустимых пределах). Понятие прочности конструкции, в том числе и общей прочности судна, является составной частью более общего понятия— их надежности. Надежность — это гарантированная способность конструкции корпуса нормально выполнять предусмотренные функции в течение заданного срока службы в условиях обычной эксплуатации.

Учитывая экономические и социальные последствия в случае гибели судна, его общая прочность должна быть полностью гарантирована и не должна допускать разрушения конструкции корпуса в эксплуатационных условиях. Однако учесть при проектировании конструкции корпуса все экстремальные нагрузки практически невозможно, да и экономически не оправдано. Ввиду такого противоречия между требованием абсолютной Общей прочности судна и отсутствием ее практической реали-зации, приходится принимать вероятностный принцип гарантии. Причем вероятность разрушения конструкции корпуса при об-щем изгибе судна должна быть весьма низкой, заведомо ниже вероятности гибели судна от других причин. Этому условию обеспечения обшей прочности соответствует вероятность поряд-ка Р = 10^-9 - 10^-10, что пока трудно гарантировать. Таким образм, риск разрушения конструкции корпуса судна в море, хотя и очень малый, сохраняется.

Общей прочностью должны обладать все суда, эксплуатируемые в море. В явном виде требования к общей прочности нормативными документами [13, 17] предъявляются к судам длиной L  80 м, а с 1990 г. — к судам длиной L  60 м при условии обычных соотношений главных размерений. Суда меньшей длины, как правило, требованиям общей прочности удовлетворяют даже при минимально допустимых размерах продольных конструктивных связей. Для судов новых типов, а также судов с необычным соотношением главных размерений, неравномерной по длине загрузкой, после модернизации и ремонта требуется проверка общей продольной прочности в соответствии с Нормами [13].

Условия общей прочности. Подобно изгибу призматических балок при общем изгибе судна в поперечных сечениях корпуса появляются нормальные и касательные напряжения, уравновешивающие внешний изгибающий момент и перерезывающие силы. Значения напряжений, а следовательно, и сопротивление корпуса общему изгибу, зависят не только от площади поперечного сечения продольных связей, но и от распределения этой площади по высоте корпуса.

Распределение материала продольных связей по высоте поперечного сечения корпуса характеризуется моментом инерции данного сечения относительно нейтральной оси I₀, а сопротивление общему изгибу — моментом сопротивления, равным отношению W_i = I_0/z_i, где z_i — отстояние по вертикали рассматриваемой продольной связи от нейтральной оси поперечного сечения.

Условие общей прочности судна по нормальным напряжениям (в МПа) записывается в виде

(4.16)

где М — расчетный изгибающий момент с учетом знака, кН.-м; z_i = z_max — расстояние от нейтральной оси поперечного сечения до наиболее удаленной по высоте продольной связи, м (ось z направлена вниз); I₀—момент инерции поперечного сечения корпуса относительно нейтральной оси, см²м²; _оп — напряжения, соответствующие опасному состоянию конструкции, МПа; k_  1,0 — коэффициент запаса по нормальным напряжениям. Наибольшие касательные напряжения имеются на уровне нейтральной оси поперечных сечений, в которых действуют наибольшие перерезывающие силы (N_max, кН) и определяются (в МПа) по формуле

(4.17)

где S₀ — статический момент площади сечения продольных связей корпуса, расположенных выше или ниже нейтральной оси, относительно этой оси, см²-м;  —суммарная на уровне нейтральной оси толщина обшивки бортов и продольных переборок, если они установлены, мм; _оп — касательные напряжения, соответствующие опасному состоянию, МПа; k_  1.0 — коэффициент запаса по касательным напряжениям.

В районе действия максимального изгибающего момента значения перерезывающих сил минимальны и искривление поперечных сечений практически не происходит, поэтому при общем изгибе судна, как и при изгибе балок под действием вертикальной нагрузки, считается справедливой гипотеза плоских сечений. Предполагается также, что при общем продольном изгибе судна в ДП нормальные напряжения по ширине корпуса не изменяются. Как показали многочисленные натурные эксперименты, распределение нормальных напряжений по высоте поперечного сечения корпуса на судах с продольной системой набора палубы и днища мало отличается от линейного распределения нормальных напряжений в соответствии с теорией изгиба балок. На судах с поперечной системой набора распределение нормальных напряжений по высоте корпуса и особенно сжимающих напряжений по ширине существенно отличается от расчетных по формуле (4.16).

Формальное соблюдение условий общей прочности при проектировании [см. формулы (4.16) и (4.17)] еще не обеспечивает надежности конструкции. Дефекты материалов, конструкции, технологии сборки и сварки, если отсутствует надлежащий контроль, могут непредсказуемо снизить надежность и тем самым повысить вероятность наступления опасного состояния (повреждения или даже разрушения конструкции). Грамотная же в техническом отношении эксплуатация судна, т. е. рациональное размещение грузов, балласта, правильный выбор курсовых углов, скорости с учетом состояния моря и других факторов, значительно уменьшает вероятность экстремальных нагрузок и таким образом повышает безопасность плавания.

Опасные состояния конструкции. Во время эксплуатации судов неизбежно частично изменяется форма корпуса, его прочность, а подчас и целостность. Конструктивные, технологические, сварочные дефекты, а также износ, коррозия, остаточные деформации, другие эксплуатационные дефекты снижают эффективность и уменьшают общую и местную прочность конструкций корпуса. Под действием внешних переменных или экстремальных нагрузок возможны повреждения или даже разрушения конструкций.

Повреждениями считаются большие (более допускаемых) остаточные деформации из-за местной текучести материала, усталостные трещины или потеря устойчивости отдельными конструктивными связями. Усталостные повреждения конструкций, обусловленные цикличностью нагружения, коррозией, другими факторами, чаще всего возникают в местах концентрации напряжений при растяжении связей. Конструкция с повреждениями еще способна ограниченно выполнять свои функции, однако нуждается в ремонте. Чтобы предупредить распространение усталостных трещин, необходимо при проектировании предусмотреть уменьшение напряжений в конструкции.

Опасным по возможным последствиям является развитие усталостных трещин в хрупкие повреждения, поскольку они могут привести к разрушению конструкции. Этому явлению способствуют низкие вязкостные свойства материала, динамичность внешних нагрузок, объемность напряженного состояния конструкции, минусовые температуры окружающей среды. В случае разрушения конструкция уже не способна выполнять свои функции, например, при распространении хрупкой трещины, при общей потере устойчивости перекрытием, в случае исчерпания пластичности материала при растяжении.

Таким образом, опасными являются состояния напряженности, предшествующие появлению и развитию в данной конструкции физических явлений, сопровождающихся ее повреждением или разрушением.

Критерии прочности. Прочность и надежность конструкции корпуса могут быть в определенной степени гарантированы при условии соблюдения физических критериев прочности, соответствующих возможным опасным состояниям. Количественные значения критериев прочности устанавливают главным образом в результате анализа опыта эксплуатации подобных конструкций, экспериментов на моделях и теоретическими исследованиями по обоснованию требований к конструкции судов и в частности, судов новых типов.

Нормами [13] предусмотрены критерии усталостной и предельной прочности. Усталостная прочность (долговечность) зависит от параметров (числа циклов и амплитуд) переменных волновых нагрузок и от работоспособности узлов корпусных конструкций в условиях действительного напряженного состояния. Основой для определения уровня требований к усталостной прочности являются регламентируемые правилами классификационных обществ минимально допустимые моменты сопротивления поперечного сечения корпусов судов (см. гл. 5) и статистика повреждений.

Критерий общей предельной прочности устанавливает несущую способность корпуса в случае разового действия наиболее неблагоприятной совокупности внешних нагрузок, в качестве которых в процессе нормирования принимают наибольшие изгибающие моменты, действующие в продольной вертикальной плоскости при прогибе и перегибе судна. Предельное состояние корпуса формально наступает, когда расчетные нормальные напряжения в наиболее удаленных от нейтральной оси продольных связях при общем изгибе равны минимальному пределу текучести материала или критическим напряжениям при сжатии конструктивных элементов. Фактическая предельная несущая способность судовых корпусов зависит также от многих других факторов, и ее определение пока невозможно из-за отсутствия необходимых решений.

Общая прочность судов из обычной углеродистой стали длиной примерно до 130 м определяется критерием усталостной прочности, а длиной более 250 м — критерием предельной прочности. Для судов из стали повышенной прочности границы определяющих общую прочность критериев сдвигаются в сторону уменьшения длины судов. На судах промежуточных размеров необходима проверка общей прочности корпуса по обоим критериям с учетом их индивидуальных особенностей и знания внешних сил в эксплуатационном и предельном режимах волнения.

Требования Норм к общей прочности. Нормы прочности морских судов [13] рекомендованы для расчетной проверки прочности основных конструкций стальных корпусов водоизмещаю-щих судов традиционных типов и обязательны к применению для расчета прочности судов новых конструктивных типов, необычных соотношений главных размерений и эксплуатируемых в условиях, не предусмотренных Правилами Регистра СССР. Проверка прочности конструкций производится по состоянию на середину срока службы судна, т. е. с учетом в явном виде влияния износа и коррозии на размеры конструктивных связей.

Общая продольная прочность судов считается обеспеченной при условии выполнения требований, соответствующих критериям усталостной и предельной прочности. Расчетные напряжения в крайних по высоте корпуса продольных связях согласно критерию усталостной прочности с учетом состояния судна к середине срока его службы равны (в МПа)

(4.18)

где k_в1 — коэффициент, учитывающий влияние высокочастотных напряжений от ударных нагрузок; М_в1 — волновой изгибающий момент, определяемый по формуле (4.15), кНм; k_т.в1 —коэффициент, принимаемый не менее 0,7 при определении W на уровне растянутых продольных связей и не менее 0,5 при определении W на уровне сжатых на тихой воде связей; M_т.в1 — наибольший по абсолютному значению из расчетных изгибающих моментов на тихой воде, растягивающий продольные связи, на уровне которых определено значение W, кНм; W—момент сопротивления поперечного сечения нового корпуса на уровне крайних по высоте верхних и нижних продольных связей без учета редуцирования в случае потери устойчивости от сжатия, см³; W — уменьшение момента сопротивления кор-пуса в результате износа продольных связей к середине срока службы судна, см³; _д — допускаемое напряжение, определяемое по Нормам прочности на уровне рассматриваемых связей в зависимости от экстремальных значений (амплитуд) изгибающих моментов на тихой воде, МПа. Допускаемые напряжения по сравнению с напряжениями в верхней палубе уменьшены в одинарном днище на 5 %, а в двойном днище на 10%.

Проверка общей прочности по предельному состоянию как при прогибе, так и при перегибе корпуса судна заключается в выполнении условия

(4.19)

где k_ф — фактический коэффициент запаса; М_пр — предельный изгибающий момент; М_в2п.в. — волновой момент на подошве волны; М_у  0,1М_в2п.в — изгибающий момент от удара корпуса о волну днищем и развалами бортов носовой оконечности при прогибе судна (при перегибе судна на вершине расчетной волны М_у = 0,1М_в2п.в); М_т.в2 — момент на тихой воде при перегибе и прогибе судна соответственно на вершине и подошве расчетной волны; k_min — минимальный коэффициент запаса, равный 1,15 при прогибе и 1,25 при перегибе корпуса судна; k_к — коэффициент относительного увеличения влияния момента М_т.в2, равный k_к = 0,9 + 0,M_т.в2/М*_т.в2. 1 при перегибе и 1,0 при прогибе на тихой воде; М*_в — изгибающий момент на тихой воде, соответствующий минимальному моменту сопротивления поперечного сечения корпуса судна. Наибольшее значение волнового изгибающего момента М_в2 вычисляют по формуле (4.15), приведенной в § 19, принимая эквивалентную высоту волны по рис. 4.7 для предельного режима волнения.

Предельный изгибающий момент (в кНм), воспринимаемый корпусом судна,

(4.20)

где _н = k_н_т— нормативный предел текучести материала жестких продольных связей расчетной палубы, МПа (k_н — коэффициент, учитывающий изменчивость механических характеристик материала);

W_т — предельный момент сопротивления проверяемого поперечного сечения корпуса на уровне самых верхних продольных связей, определяемый с учетом редуцирования теряющих устойчивость пластин настила и наружной обшивки под действием сжимающих усилий от общего изгиба, а также с учетом износа связей к середине расчетного срока службы судна, см³.

Если критические (исправленные эйлеровы) напряжения _{кр в} верхних жестких продольных связей в условиях сжатия меньше _н, значение предельного изгибающего момента для соответствующих условий иагружения вычисляют по формуле

M_пр = _{кр в}W_т.

Нормами прочности предусмотрена также проверка по предельному состоянию корпуса на срез (с запасом 20 %) при действии в рассматриваемом сечении максимальных перерезывающих сил от нагрузки судна на тихой воде, а также от волновой и ударной составляющих на волнении. Особая проверка общей прочности предусмотрена в Нормах прочности для судов, имеющих палубные вырезы более 70 % общей ширины палубы.

Заключение об общей прочности судна производится по расчетным значениям моментов сопротивления и момента инерции поперечного сечения корпуса, которые должны быть соответственно не менее требуемых Правилами Регистра СССР или Нормами прочности [13]. Нормы прочности допускают значение минимального момента сопротивления поперечного сечения корпуса при условии обеспечения обоих критериев прочности примерно на 5 % меньше, чем Правила Регистра СССР.