1. Общие принципы и правила проектирования конструкций корпуса морского судна

1. Принципы нормирования прочности в правилах Морского Регистра Судоходства

Прочность конструкций судна является комплексным понятием, включающим, в первую очередь, способность их сопротивляться усталостным разрушениям (трещинам) от переменных нагрузок и разрушениям от экстремальных нагрузок (разрывам, пластическим деформациям и потерям устойчивости связей с нарушением их формы). Поэтому Правила Регистра устанавливают нормативные требования к корпусу судна, исходя из двух основных критериев: усталостной и предельной прочности.

Основными причинами усталостных трещин являются:

• концентрация напряжений, особенно растягивающих (первопричиной которой являются недостаточно качественно спроектированные узлы, имеющие резкие изменения сечений – жёсткие точки);

• недостаточная пластичность и вязкость, а также дефекты материала;

• остаточные сварочные напряжения, дефекты сварных швов и другие технологические дефекты.

Сложность учёта усталости при нормировании прочности, а также проектировании конструкций состоит в том, что она зависит:

• от трудно предсказуемых эксплуатационных нагрузок (особенно вибрационных и ударных);

• от качества проектирования мелких узлов (а это уже во многом зависит от опыта конструктора, так как регламентировать в Правилах все разнообразие возможных конструктивных решений практически невозможно и не имеет смысла);

• от качества материала и технологии изготовления (эти особенности сложно учесть проектанту и невозможно в полном объёме отразить в Правилах).

Учёт предельной прочности при проектировании конструкций представляет собой ещё более сложную проблему. Во-первых, существует большое разнообразие экстремальных внешних сил, как хорошо определённых (например, статическое давление воды на переборку при затоплении отсека), так и тех, которые не могут быть учтены при проектировании в полной мере (например, удары при столкновениях, взрывы, волновые нагрузки в районе ураганов исключительной силы, «волны – убийцы»).

Во-вторых, при экстремальных нагрузках происходит нелинейное поведение конструкций, которое трудно смоделировать (в частности, упруго-пластические деформации, потеря устойчивости и пр., сильно зависящие к тому же от динамики нагружения, наличия трещин и др. факторов). Ещё труднее представить соответствующие нормативные требования в виде обобщённых формул, имеющих чёткий физический смысл. По этой причине некоторые классификационные общества в комплексе с нормативными Правилами ввели в практику проектирования использование специальных программных комплексов, позволяющих моделировать нелинейное поведение конструкций с применением метода конечных элементов.

Всё многообразие условий эксплуатации судовых конструкций сосредоточено в Правилах Регистра в простых формулах, которые представляют ограничения на параметры связей (толщин, характеристик сечений балок и пр.) в виде функции от условных внешних сил (расчётных нагрузок) и условных безопасных внутренних сил (допускаемых напряжений, определяемых как часть предела текучести материала).

Может возникнуть вопрос: как же можно полагаться на Правила и быть уверенным в надёжности спроектированных конструкций, если они основаны на применении условных нагрузок (меньших, чем реально возможные экстремальные нагрузки), не моделируют особенности реального, нелинейного поведения конструкций и пр. Прежде чем ответить на этот вопрос напомним, что «абсолютную гарантию может дать только страховой полис»¹.

Академик А.Н. Крылов ещё в 1935 году писал: «Молодые инженеры часто склонны относиться со своего рода пренебрежением «к разного рода Правилам Ллойдов и Регистров», считая, что эти Правила составлены по принципу «назначь размер, скажем толщину, на глаз, да четверть дюйма прибавь». На самом деле это далеко не так. Возьмём для примера Английский Ллойд. Он существует как классификационное общество, т.е. наблюдающее за надлежащей прочностью корабля и его снабжения, как во время постройки, так и во время службы, сто лет. Все случаи повреждений судов рассматриваются его инспекторами, рассеянными по портам всего мира, и доводятся до сведения Главной Лондонской конторы Общества, в которой работают опытные инженеры с обширной практикой и широким научным образованием.

Сейчас в списках Английского Ллойда находится около 35 тысяч пароходов всех наций; отсюда можно заключить, какой огромный материал и какое богатство опытных данных и «случаев» накапливается в его Главной конторе.

Правила Ллойда не являются неизменными, они постоянно совершенствуются на основе действительного опыта плавания судов и анализа аварий или повреждений, ими понесённых» /10/.

Требования Правил Регистра получены на основе многолетнего опыта эксплуатации судов, а также многочисленных экспериментальных исследований, проводимых научно-исследовательскими организациями.

Раньше это обобщение опыта было оформлено в Правилах классификационных обществ в виде табличных данных и формул, которые определяли зависимость размеров связей, в основном, от главных размерений судна. Такой подход позволял очень легко определять размеры конструкций судов, но эти конструкции не отличались большим разнообразием. По мере развития новых типов судов становилась всё более очевидной необходимость придания зависимостям Правил явного физического смысла.

В современных Правилах Регистра размеры конструкций назначаются в соответствии с требованиями, которые явно связаны с условиями их эксплуатации:

1) местной изгибной прочности (на расчётные нагрузки, которые рассмотрены в разделе 1.5);

2) местной сдвиговой прочности (для рамных связей);

3) общей прочности корпуса (определяемой из расчёта эквивалентного бруса, рассмотренного в главе 7);

4) устойчивости связей от сжимающих усилий (см. раздел 1.8);

5) достаточного запаса на коррозионный износ;

6) надёжности при воздействии различных ненормируемых нагрузок (ударов о плавающие предметы, падении груза, посадки на мель и пр.), опыта эксплуатации и постройки судов (критерий минимальных толщин).