Динамическая остойчивость

Динамическая остойчивость судна

В отличие от статического, динамическое воздействие сил и моментов сообщает судну значительные угловые скорости и ускорения. Поэтому их влияние рассматривается в энергиях, точнее в виде работы сил и моментов, а не в самих усилиях. При этом используется теорема кинетической энергии, согласно которой приращение кинетической энергии наклонения судна равно работе действующих на него сил.

Когда к судну прикладывается кренящий момент m_кр, постоянный по величине, оно получает положительное ускорение, с которым начинает крениться. По мере наклонения возрастает восстанавливающий момент, но вначале, до угла θ_ст, при котором m_кр = m_θ, он будет меньше кренящего. По достижении угла статического равновесия θ_ст, кинетическая энергия вращательного движения будет максимальной. Поэтому судно не останется в положении равновесия, а за счет кинетической энергии будет крениться дальше, но замедленно, поскольку восстанавливающий момент больше кренящего. Накопленная ранее кинетическая энергия погашается избыточной работой восстанавливающего момента. Как только величина этой работы будет достаточной для полного погашения кинетической энергии, угловая скорость станет равной нулю и судно перестанет крениться.

Наибольший угол наклонения, которое получает судно от динамического момента, называется динамическим углом крена θ_дин. В отличие от него угол крена, с которым судно будет плавать под действием того же момента (по условию m_кр = m_θ), называется статическим углом крена θ_ст.

Если обратиться к диаграмме статической остойчивости, работа выражается площадью под кривой восстанавливающего момента m_в. Соответственно, динамический угол крена θ_дин можно определить из равенства площадей OAB и BCD, соответствующих избыточной работе восстанавливающего момента. Аналитически та же работа вычисляется как:

,

на интервале от 0 до θ_дин.

Достигнув динамического угла крена θ_дин, судно не приходит в равновесие, а под действием избыточного восстанавливающего момента начинает ускоренно спрямляться. При отсутствии сопротивления воды судно вошло бы в незатухающие колебания около положения равновесия при крене θ_ст с амплитудой от 0 до θ_дин. Но практически, от сопротивления воды колебания быстро затухают и оно остаётся плавать со статическим углом крена θ_ст.

Динамическое воздействие кренящего момента всегда опаснее статического, так как приводит к более значительным наклонениям. В пределах прямолинейной части диаграммы статической остойчивости, динамический угол крена примерно в два раза больше статического: θ_дин ≈ 2 θ_ст.

4) Требования регистра к остойчивости морских судов. Нормы остойчивости

Цель нормирования остойчивости судов - обеспечение необходимой и достаточной остойчивости для безопасного плавания судов в эксплуатационных условиях. Остойчивость судна промеряют по основному и дополнительным критериям. По основному критерию остойчивости безопасность плавания проверяют в штормовую погоду. Судно должно, не опрокидываясь, противостоять одновременному действию динамически приложенного давления ветра и бортовой качки при наихудшем в смысле остойчивости варианте нагрузки. Остойчивость судов считается достаточной, если динамически приложенный кренящий момент давления ветра М_КР равен опрокидывающему моменту М_опр или меньше него, т.е. безопасность судна гарантирована при М_КР≤М_опр. Отношение М_КР / М_опрназывается критерием погоды К и должен быть равен

K = М_КР / М_опр≤ 1

Кренящий момент от давления ветра вычисляется но формуле:

М_КР = 0,001 × Р_В S_n Z_n

где Р_B - условное расчетное давление ветра, Па; S_n - площадь парусности, м²; Z_n - отстояние центра парусности от плоскости действующей ватерлинии, м. Давление ветра Р_В определяется по таблицам "Правил классификации и постройки морских судов" Регистра в зависимости от района плавания и значения Z_n. Опрокидывающий момент М_опр определяется по диаграмме динамической или статической остойчивости, рассчитанной с учетом влияния свободной поверхности жидких грузов. Остойчивость проверяется при всех вариантах нагрузки. Для судов тех типов, по которым отсутствуют специальные указания, в число вариантов нагрузки, подлежащих проверке, входят следующие: судно с полным грузом и полными запасами; судно с полным грузом и 10% запасов; судно без груза с полными запасами; судно без груза с 10% запасов. Критерий погоды К считается основным, так как он в какой-то степени связывает значение остойчивости с оценкой действующих на судно внешних сил. Помимо критерия погоды К Правила Регистра регламентируют параметры диаграммы статической остойчивости. Согласно требованиям Правил, максимальное плечо диаграммы статической остойчивости морских судов всех типов должно быть не менее 0.25 м (при длине судна менее 80 м) и не менее 0,2 м (при длине судна более 105 м) при угле крена более 30 град. Предел положительной статической остойчивости, характеризуемый углом заката диаграммы, должен быть не менее 60 град. У судов с отношением В/T более 2,0 возможно некоторое уменьшение угла заката, соответствующего максимальному плечу диаграммы. В качестве дополнительного условия достаточной остойчивости угол максимума диаграммы должен быть более 30 град. Также правила требуют, чтобы исправленная (с учетом влияния свободной поверхности жидких грузов) метацентрическая высота у всех судов при всех возможных вариантах нагрузки была положительной. Помимо рассмотренных общих критериев остойчивости Правила предусматривают ряд дополнительных критериев, обусловленных типом судна. Так, остойчивость пассажирских судов определяют для случая скопления пассажиров на одном борту и при повороте судна под действием руля (крен на циркуляции). Остойчивость буксиров проверяют при поперечном рывке буксирного троса. Таким образом, коротко требования Регистра к остойчивости морского неповрежденного судна можно выразить так:

1. K = M_КР / M_опр ≤ 1;

2. l_ст ≥ 0,25 м (при L ≤ 80 м); l_ст ≥ 0,2 м (при L ≥ 105 м);

3. h > 0;

4. θ_max ≥ 30°;

5. θ_зах ≥ 60°.