8. Порядок контроля остойчивости и общей продольной прочности судна в эксплуатации

Контроль остойчивости может осуществляться расчетным путем. Для этого используют диаграмму контроля остойчивости, которая есть в "Информации по остойчивости судна". Для использования диаграммы рассчитывают суммарный момент всех составляющих весовой нагрузки судна: M_z = m_i z_i

Зная водоизмещение  и момент M_z , находят метацентрическую высоту h . На диаграмме даны предельно допустимые для данного судна значения h (пунктир). Правильность вычисления h можно проверить, накреняя судно. При этом используется формула:

где М_кр - заданный кренящий момент (тм );

° - угол крена в градусах; - водоизмещение.

Кроме того, значение метацентрической высоты h можно определить по периоду бортовой качки судна. Существует так называемая "капитанская" формула:

где _ - период собственных колебаний судна по углу крена (с ) (совпадает с периодом качки при первых колебаниях); С - коэффициент, постоянный для конкретного судна ( С = 0,8 - 0,85); В - ширина судна, м.

Замерив с помощью секундомера период бортовой качки, легко определить значение h.

Контроль общей продольной прочности судна осуществляется с помощью диаграммы контроля прочности. Точка на диаграмме, соответствующая конкретному случаю загрузки судна, должна распола­гаться между ограничивающими линиями 1-2-3 (опасный перегиб судна) и 1*-2*-3* (опасный прогиб судна). Для нахождения точки на поле диаграммы необходимо знать водоизмещения судна  (на некоторых диаграммах дан дедвейт _w ) , дифферент d_н - d_к и суммарный момент всех грузов, расположенных в нос от миделя судна M_x =m_i x_i (x_i >0)

Порядок нахождения рабочей точки следующий: от точки на оси абсцисс, соответствующей заданному  ( _w ), двигаются параллельно наклонным линиям до горизонтальной прямой, характеризующей дифферент судна d_н - d_к. Затем вертикально вверх до значения M_x.

Точка А на рисунке соответствует _w = 1000 т, d_н -d_к = -I м и М_х  = 1,0 • 10⁴ тм.

Помимо диаграммы, контроль прочности проводится по разности средней осадки судна d=(d_н+d_к)/2 и фактической осадки на миделе d_ . Наличие большой разницы в значениях d и d_ свидетельствует об изгибе судна. Регистр РФ не допускает отличия d от d_ более чем на 0,2 м для судна длиной 100 м.

9. Изменение остойчивости судна при движении на попутном волнении. Выбор безопасных режимов движения судна в этих условиях

Практически все параметры остойчивости судна, традиционно определяемые на спокойной воде, при плавании на волнении изменяются. Наиболее ярко это проявляется на попутном волнении при попадании судна на вершину и подошву волны. Вследствие изменения ширины фактической ватерлинии в оконечностях из-за развала борта (и соответственно ее площади и момента инерции I_xf ) метацентрический радиус r возрастает на подошве и уменьшится на вершине волны. Аналогичным образом изменяется начальная метацентрическая высота h₀ (h₀ = z_С + r - z_G ) и диаграмма статической остойчивости в целом.

У малых судов (L < 60 м), движущихся при числах Фруда Fr = 0,28 - 0,40 , возможно опрокидывание в диапазоне курсовых углов 138° - 180° вследствие чрезмерного снижения остойчивости на вершине волны, усугубляющегося взаимодействием волны с собственными корабельными волнами. Для этих судов опасная ситуация сопряжена с длительным пребыванием судна на вершине волны вследствие равенства скоростей судна (V_s) и волн (C_s) c длиной волн , близкой к длине судна L (  L, V_s  С_s). Подобные режимы возможны и у крупных быстроходных судов (V_s > 20 уз).

Среднескоростные крупные суда даже с малой начальной остойчивостью движутся гораздо медленнее волн близкой им длины (L  , С =1,25^1/2 >0,514 V_s) наибольшую опасность представляет усиленная бортовая качка, которая имеет резонанс именно на попутных курсовых углах (_к  _)

Кроме того при периодическом изменении параметра остойчивости h₀, когда волны обгоняют судно, происходит явление параметрического резонанса при условии _к = _/2 (т.е при большей частоте качки), сопровождающееся большим ускорениями (ускорения пропорциональны квадрату частоты).

Временное снижение остойчивости крупных судов на попутном волнении также имеет место и может представлять опасность, если _к > 1/4 _ , то есть когда судно с пониженной остойчивостью успеет получить большое наклонение. Для выбора скоростей и кур­совых углов на попутном волнении служит диаграмма А И.Богдано­ва (см. рис.), где:

1 - опасная зона пониженной остойчивости _к > 1/4 _ ;

2 - зона усиленной бортовой качки в режиме основного резонанса на волне ( = L) _к = _ (30% _ );

3 - зона параметрического резонанса _к = ½ _ ( 5% _ );

4,5 - зоны, безопасные при движении на попутном волнении

( - рабочая точка в безопасной зоне 4).

Для судов малой длины (L ~ 20-50 м) на попутном волнении опасность представляет явление брочинг, характеризующееся за­хватом судна волной (при V_s > 1,3 L^1/2 ), ухудшением управ­ляемости вследствие дифферента на нос, повышения рыскливости, уменьшения эффективности руля, приводящих к резкому развороту судна поперек движения и к его опрокидыванию.

10. Влияние курса и скорости хода судна на бортовую и килевую качку на регулярном и нерегулярном волнении. Использование штормовых диаграмм для глубокой воды и для мелководья для выбора безопасных режимов движения в шторм

Амплитуды бортовой и килевой качки судна зависят от многих факторов: массы, размеров и формы корпуса судна, метацентрических высот h₀ и Н₀ и частоты волнения, высоты и крутизны волн, а также скорости судна V_s и курсового угла волнения  . При выбранной судоводителем остойчивости и осадке судна ( h₀ и d ) он имеет возможность управлять, в определенных пределах, амплитудами качки судна выбором скорости хода и курсового угла волнения. Воздействие на качку судна через эти параметры возмож­но вследствие того, что их изменение меняет кажущийся период волн _к, с которым происходит качка судна:

где  - длина волны, м;

С - истинная скорость волны, м с^-1 (С = 1,25  ^1/2),

а амплитуды качки ₀ и ₀ существенно зависят от _к .

Если период _к находится в диапазоне (0,7  1,3)_ , где _ - период свободных бортовых колебаний судна (_ = 0,8 B/ h₀^1/2), то судно испытывает интенсивную качку при име­ющейся метацентрической высоте h₀. Наибольшие амплитуды ожидаются при выполнении условия резонанса по бортовой качке _к = _ ( h₀ ).

Интенсивная килевая качка происходит, когда длина встречных волн составляет (0,3 - 0,5) L (при малых скоростях хода), при больших скоростях резонанс происходит при более длинных волнах при частоте волнения _к = (L/2g)^1/2 (c^-1). На килевую качку оказывает заметное влияние продольный радиус инерции мас­сы судна, определяемый распределением грузов по длине и наличи­ем обледенения.

Для мелких судов резонанс по бортовой качке имеет место при лаговых курсовых углах, когда скорость хода практически не оказывает влияния на _к - . Для крупных транспортных судов (большие _) резонанс по бортовой качке характерен дня кор­мовых курсовых углов. При этом условие резонанса может выполняться при трех значениях длины волны, поскольку уравнение _к = _ имеет два решения для  и кроме того судно может об­гонять короткие волны (С =  1,25  ^1/2 ), что соответствует "ка­жущемуся" набеганию волн с другого борта  ₁ = 180° +  .

На мелководье изменяются характеристики волн - длина и ско­рость распространения, поэтому резонанс по качке произойдет при другом сочетании скорости V_s и курсового угла  .

Для выбора курса и скорости судна в условиях волнения существуют штормовые диаграмма Ю.В.Ремеза для глубокой и мелкой зоны, а для кормовых курсовых углов (попутное волнение) - диаграм­ма Л.И.Богданова (см.рязд.9). Штормовая диаграмма позволяет опе­ративно определить резонансные сочетания скорости V_s , кур­сового угла  на глубокой и мелкой воде при заданной метацентрической высоте и зоны усиленной бортовой и килевой качки из условий _к = (0,7 1,13) _ и _к = (0,7 1,13) _ .

Для их использования следует одним из известных способов (рис.20) определять длину волны и кажущийся период волн _{к .}

По диаграмме Ю.В. Ремеза для глубокой воды можно решить за­дачу по определении длины волны по известным значениям скорости судна, курсового угла и кажущегося периода волн. Использование диаграммы А.И.Богданова для попутного волнения описано в разд.9.