2. Прочность и конструкция

КОРПУСА СУДНА

2.1. Понятие о прочности корпуса судна

2.1.1. Общие положения

Прочность является одним из основных качеств судна. Прочное судно должно обладать способностью воспринимать действующие в процессе его эксплуатации нагрузки без нарушения целостности конструкции корпуса и появления недопустимых местных повреждений. Разрушение (нарушение целостности) корпуса может привести к гибели судна. Местные деформации корпуса не должны оказывать существенного влияния на ходкость и другие мореходные качества судна.

При совместном воздействии различных нагрузок корпус находится в сложном напряженном состоянии. С целью упрощения изучения состояния корпуса его деформации принято делить на следующие виды: общий продольный изгиб, общий поперечный изгиб, деформации отдельных элементов и частей корпуса и, кроме того, вибрационные повреждения.

Прочность корпуса при общем продольном изгибе в вертикальной плоскости называется общей продольной прочностью. Корпус при этом рассматривается как пустотелая балка с поперечным сечением в виде прямоугольной коробки, имеющей длину судна и образованной бортами, днищем и палубой.

Деформации или даже разрушения отдельных элементов конструкции корпуса обычно не приводят к выводу судна из эксплуатации, не являются определяющими с точки зрения безопасности эксплуатации. Превышение же допустимых нагрузок при общем изгибе приводит к разрушению корпуса судна.

Для большинства судов напряжения в связях корпуса, возникающие при общем продольном изгибе, превышают напряжения от общего поперечного изгиба

Практика свидетельствует, что разрушение корпусов судов происходит, как правило, вследствие действия общего продольного изгибающего момента.

2.1.2. Общая продольная прочность корпуса

Внешние нагрузки, действующие на корпус. По Правилам Регистра [9] общий продольный изгибающий момент М_р определяется как сумма

(2.1)

где М_тв – изгибающий момент на тихой воде; М_дв – дополнительный волновой изгибающий момент на миделе судна.

Общий изгибающий момент М_р определяется с учетом воздействия на корпус судна двух категорий внешних сил: статических, возникающих при плавании на спокойной (тихой) воде, и динамических, вызванных волнением и качкой судна. По физической природе эти силы можно классифицировать следующим образом: гидростатические силы поддержания воды; силы тяжести, вызванные массами судна; гидродинамические воздействия волн на корпус; а также силы, обусловленные инерцией масс судна и "присоединенных" масс воды при качке.

Для определения изгибающих моментов и перерезывающих сил на тихой воде строят эпюры сил поддержания и сил тяжести на длине судна (см. рис. 2.1). При построении эпюр принимается, что силы, действующие в пределах каждой теоретической шпации (одна двадцатая длины судна), распределены равномерно. Значения сил тяжести находятся с учетом всех составляющих, приложенных на длине шпации.

а) б) в) г) д) шп. Nтв Мтв

Рис. 2.1. Общий продольный изгиб корпуса на тихой воде:

а – порожнее судно с балластом (показан штриховкой); б – эпюра сил тяжести q_т; в – эпюра сил поддержания q_в; г – эпюра результирующих сил q_Σ; д – эпюра изгибающих моментов М_тв и перерезывающих сил N_тв

На рис. 2.1 представлены эпюры сил для самоходного грузового судна при порожнем состоянии с балластом (см. рис. 2.1, а). Относительное увеличение весовой нагрузки (см. рис. 2.1, б) в кормовой оконечности связано с расположенными здесь надстройкой и машинным отделением; в носовой оконечности прирост нагрузки обусловлен размещенным в носу оборудованием, механизмами и балластом.

Силы поддержания распределяются по длине судна пропорционально погруженным площадям шпангоутов, то есть по закону строевой по шпангоутам. Силы поддержания в оконечностях малы, так как полнота корпуса здесь уменьшается.

Вектор результирующей силы тяжести D_c проходит через центр масс, а вектор силы поддержания ρ·g·V – через центр величины. Результирующие векторы равны и располагаются на одной вертикали (см. рис. 2.1, в). Вместе с тем, результат сложения эпюр сил тяжести и поддержания, то есть результирующая эпюра сил q_Σ (см. рис. 2.1, г), показывает, что при рассмотренном состоянии загрузки судна силы тяжести преобладают в оконечностях, а силы поддержания – в средней части.

По результирующей эпюре сил вычисляют перерезывающие силы N_тв и изгибающие моменты М_тв, действующие на корпус при плавании на тихой воде (см. рис. 2.1, д).

Перезывающая сила и изгибающий момент в любом сечении определяются как сумма сил или сумма моментов, подсчитанных слева (или справа) относительно рассматриваемого сечения по формулам

Возникающий в рассмотренном случае общий продольный изгибающий момент вызывает перегиб корпуса (см. рис. 2.2). При этом палуба будет испытывать напряжения растяжения, а днище – сжатия.

В эксплуатационной практике возможны различные случаи загрузки судна – как по количеству принятой массы груза, так и по ее распределению по длине корпуса. Если судно загрузить таким образом, что основная масса будет сосредоточена в средней части по длине, то общий продольный изгибающий момент изменит знак (станет отрицательным) и вызовет прогиб корпуса (см. рис. 2.2).

Практика показывает, что для большинства водоизмещающих судов внутреннего плавания максимальные значения изгибающего момента на тихой воде имеют место в районе миделя независимо от варианта эксплуатационной нагрузки.

а) б)

Рис. 2.2. Виды деформации корпуса при общем продольном изгибе:

а – перегиб; б – прогиб

Представленный выше подход к определению М_тв и N_тв предполагает, что корпус является абсолютно жестким телом. Однако практически корпус деформируется, и это приводит к такому изменению распределения сил поддержания, при котором напряжения в корпусе уменьшаются.

Наиболее серьезными эксплуатационными повреждениями судов являются переломы их корпусов. Переломы речных судов чаще происходят на тихой воде. Об этом свидетельствует статистика аварий по отечественным судам внутреннего плавания (см. табл. 2.1) [10].

Из данных табл. 2.1 видно, что наибольшее количество аварий произошло с несамоходными сухогрузными и наливными судами в процессе грузовых операций на тихой воде. Несамоходные грузовые суда также составляют большую часть (87,5%) от всех переломившихся судов.

Таблица 2.1

Эксплуатационные условия и их значимость при переломах судов

Обстоятельства перелома	Количество переломов судов, %
	Сухогрузных несамоходных	Наливных несамоходных	Самоходных
В процессе погрузки и выгрузки	62,1	59,0	18,0
При посадке на мель и обсыхании на грунте	17,4	27,0	45,0
Вследствие затопления отсеков через пробоины	9,1	7,0	–
На ходу при неравномерной загрузке	3,2	–	–
В штормовых условиях на водохранилищах	1,6	–	23,0
Прочие причины	6,6	7,0	14,0
Всего:	100,0	100,0	100,0

Большинство переломов произошло вследствие потери устойчивости сжатых связей (см. рис. 2.3). При переломе речного судна его корпус, как правило, не разделяется на две части – возникает лишь деформация корпуса от общего изгиба. При этом стрелка прогиба (перегиба) не превышает 1% длины корпуса.

Рис. 2.3. Несамоходное судно после перелома

Перелом в условиях волнения может завершиться полным расчленением корпуса на две части, что вызывается знакопеременным характером изгибающего момента.

Для предупреждения перенапряжения корпусов судов при проведении грузовых операций выпущены сборники инструкций по погрузке и выгрузке серийных самоходных и несамоходных судов [11, 12]. Приведенные в инструкциях схемы и указания являются обязательными для всех работников, которые связаны с выполнением погрузочно-разгрузочных работ.

Выше показано (см. формулу 2.1), что общий продольный изгибающий момент М_р включает дополнительный волновой момент М_дв, который зависит от двух составляющих:

,

где М_в – изгибающий момент, вызванный непосредственным действием волнения; К_р – коэффициент, учитывающий влияние волновой вибрации; М_у – изгибающий момент, вызванный ударом волн в носовую оконечность (ударный изгибающий момент).

Изгибающий момент М_в по Правилам Регистра [9] определяется следующим образом:

,

где ε, к_б, к_т, к_в – коэффициенты, значения которых принимаются в зависимости от класса судна и особенностей формы корпуса; B, L – ширина и длина корпуса судна соответственно; h – расчетная высота волны.

Момент М_в рассматривается как следствие гидродинамического воздействия волн на корпус, а также действия сил, которые возникают при качке судна и обусловлены инерцией масс судна и воды.

Второй составляющей волнового изгибающего момента М_дв является ударный изгибающий момент М_у. Его расчет выполняется по формуле

где – К_у, φ₁ – коэффициенты, определяемые в зависимости от класса судна, коэффициента полноты водоизмещения и относительной осадки носом; D – сила тяжести судна; L – длина судна.

Ударные нагрузки (ударный момент) возникают в условиях значительного волнения, когда при качке носовая оконечность выходит из воды, а затем, ударяясь о волну, погружается. Это явление называется слемингом и чаще случается при движении судна в балласте или неполной загрузке, когда осадка носом невелика. Ударные нагрузки можно уменьшить путем увеличения осадки носом или снижения скорости хода судна.

Максимальное значение общего продольного изгибающего момента М_р, имеет место в районе миделевого сечения судна; максимальная перерезывающая сила возникает на расстоянии около одной четверти длины корпуса от его оконечности.

Оценка общей прочности корпуса. Выполняется при различных сочетаниях внешних нагрузок. При этом вычисляют напряжения в наиболее нагруженных участках корпуса и сопоставляют их с нормативными допускаемыми значениями (см. рис. 2.4).

б)

в)

а)

Рис. 2.4. Схема эквивалентного бруса и эпюры напряжений

при общем продольном изгибе:

а – схема эквивалентного бруса; б – эпюры нормальных напряжений;

в – эпюра касательных напряжений; 1 – балка; 2 – присоединенный поясок

Корпус судна при оценке прочности на общий изгиб рассматривается в виде условной балки, которую принято называть эквивалентный брус (см. рис. 2.4, а). В состав поперечного сечения такой балки включают не все продольные связи, которые присутствуют на поперечном сечении корпуса.

Это объясняется следующим. В процессе общего продольного изгиба днище, палуба и борта могут испытывать сжимающие усилия. При этом связи нагружаются в различной степени; это связано с их жесткостью. Не теряют устойчивости (жесткости) продольные балки (кильсоны, карлингсы, ребра жесткости, стрингеры) и участки обшивки (настила), которые прилегают к этим балкам. Прилегающие к балкам участки обшивки (настила) называются – присоединенные пояски (см. рис. 2.4, а).

Отдаленные от продольных балок участки обшивки (настила) при сжатии прогибаются (теряют устойчивость) и по этой причине их роль в восприятии сжимающих усилий становится минимальной. Процедура исключения части листовых связей из расчета общей продольной прочности называется "редуцированием" обшивки (настила). В результате такой расчетной процедуры определяется ширина присоединенных поясков, которые включаются в эквивалентный брус.

Полученное в итоге сечение эквивалентного бруса (см. рис. 2.4, а) по восприятию общего продольного изгибающего момента эквивалентно корпусу судна.

После определения геометрических характеристик для эквивалентного бруса рассчитывается положение нейтральной оси z_{н о}, (см. рис. 2.4, б).

Для обеспечения общей прочности корпуса должны выполнятся условия:

, ,

где – М_р – максимальное (расчетное) значение продольного изгибающего момента; W_пал, W_дн – моменты сопротивления эквивалентного бруса относительно крайних связей палубы и днища соответственно; σ_пал, σ_дн – максимальные напряжения в палубе и днище соответственно; σ_доп – допускаемые напряжения от общего продольного изгиба, которые нормируются Правилами Регистра [9].

Максимальные нормальные напряжения возникают в связях палубы и днища (см. рис. 2.4, б).

Общая поперечная перерезывающая сила N воспринимается в основном бортами и продольными переборками. Расчет касательных напряжений τ выполняется с использованием максимального (расчетного) значения перерезывающей силы N_р. Характер эпюры касательных напряжений (см. рис. 2.4, в) показывает, что максимальные значения этих напряжений τ_max находятся на уровне нейтральной оси. По Правилам Регистра должно выполнятся условие , где – τ_доп – допускаемые касательные напряжения в связях, воспринимающих действие перерезывающей силы при общем изгибе.

Ряд связей корпуса (например, кильсоны всех судов) воспринимают нагрузки как от общего продольного изгиба, так и местные (например, днищевые связи воспринимают давление воды). По Правилам Регистра для таких связей вычисляют суммарные напряжения как алгебраическую сумму напряжений от общего изгиба и местных нагрузок. Фактические суммарные напряжения σ_сум не должны превышать соответствующих допускаемых Правилами [9] напряжений σ΄_доп.

Правилами Регистра определены два метода расчета и проверки общей продольной прочности корпуса: по допускаемым напряжениям (рассмотрен выше) и по предельному моменту.

Предельным моментом М_пр называется такой изгибающий момент, действующий в продольной вертикальной плоскости, при котором хотя бы в одной связи значение нормального напряжения достигает предела текучести материала корпуса. Определяются два предельных момента – один при прогибе, другой при перегибе корпуса. Для расчета М_пр определяется сечение эквивалентного бруса (см. выше) и находится связь, в которой напряжение с ростом изгибающего момента (при прогибе или перегибе) прежде других достигает предела текучести σ_т. Предельный изгибающий момент определяется по формуле , где W_пр – момент сопротивления сечения эквивалентного бруса относительно наиболее удаленной от нейтральной оси связи, в которой напряжения равны пределу текучести.

Проверка прочности по предельному моменту заключается в оценке выполнения условия где – М_р – расчетное значение общего продольного изгибающего момента при прогибе (перегибе); k – коэффициент запаса прочности по предельному моменту; его значение для стальных судов принимается в пределах 1,35…1,5.

2.1.3. Местная прочность

Под местной прочностью понимают прочность отдельных элементов (балок, пластин) или конструкций корпуса (рам, перекрытий) при действии нагрузок, приложенных непосредственно к этим элементам или конструкциям.

Пластиной называют часть обшивки (днища, борта) или настила (палубы, платформы), ограниченную балками набора, которые создают опорный контур пластины (см. рис. 2.5). Пластина воспринимает поперечные (направленные перпендикулярно к ее поверхности) нагрузки от давления груза или воды.

1 2

Рис. 2.5. Пластина под действием поперечной нагрузки:

1 – балка; 2 – обшивка (настил);

Поперечная нагрузка пластиной передается по ее опорному контуру на поперечные и продольные (вдоль судна) балки набора. Балки набора делят на рамные (усиленного профиля, например, с Т-образным сечением) и холостые (относительно менее прочные, например, угольники). Холостые балки опираются на рамные.

Рама – конструкция, образованная жестко соединенными в узлах балками, расположенными в одной плоскости. Рама воспринимает нагрузки, действующие в плоскости расположения образующих ее балок (см. рис. 2.6).

Перекрытием называется система пересекающихся и жестко соединенных в узлах балок, которые закреплены на листовом полотнище, расположены в одной плоскости и загружены перпендикулярно этой плоскости. Перекрытие опирается на жесткий контур. Например, перекрытие днища опираются на соседние поперечные переборки и борта корпуса (или борт и продольную переборку). Перекрытие днища воспринимает всю силу давления воды на соответствующую площадь днищевой обшивки.

Конструкции и элементы корпуса воспринимают различные местные нагрузки: гидростатическое и гидродинамическое воздействие воды; силы тяжести груза, механизмов и т.п.; динамические нагрузки, вызванные работой механизмов; ударные нагрузки, возникающие при плавании в битом льду, при швартовке, при падении груза в процессе грузовых операций и т.п.

Т

Рис. 2.6. Эпюра нагрузок, действующих на раму

Одни и те же элементы корпуса могут воспринимать различные нагрузки, участвуя, например, в общем изгибе и изгибе перекрытия (или рамы), в состав которого они входят. В связи с этим для проверки прочности элементов корпуса выбирают наиболее опасное сочетание нагрузок, то есть такое, при котором напряжения будут наибольшими.

Наряду с плоскими конструкциями (рамами и перекрытиями), образованными из жестко соединенных элементов, на судах нередко используются пространственные конструкции, в которых одно перекрытие передает часть нагрузки на другое перекрытие. Например, днищевые и палубные перекрытия соединятся между собой вертикальными стойками (пиллерсами) или продольными (поперечными) фермами. Такие конструкции широко используются на судах-площадках, перевозящих грузы только на палубе. Применение пространственных конструкций позволяет уменьшить массу перекрытий.

В расчетах местной прочности реальная конструкция схематизируется (упрощается) с тем, чтобы можно было использовать известные методы строительной механики корабля. Правила Регистра [9] содержат рекомендации по выбору расчетных нагрузок для различных перекрытий.

2.1.4. Вибрация корпуса

В корпусе судна, как любого упругого тела, могут возникнуть упругие колебания. Упругие колебания бывают свободными (например, от однократного удара волны) и вынужденными (от действия периодических внешних сил). Свободные колебания быстро затухают, основное внимание уделяется вынужденным колебаниям.

Изгибные колебания всего корпуса, как упругой балки, называют общей вибрацией, а колебания отдельных пластин, балок, перекрытий и других частей корпуса – местной вибрацией.

Основные источники вибрации – главные и вспомогательные двигатели, движители, гребные валы и регулярно воздействующие на корпус судна волны. Особенно опасна местная вибрация, вызванная гребными винтами и двигателями. Она часто приводит к появлению трещин в обшивке и балках набора. Вибрация ухудшает условия работы механизмов и приборов, а также условия пребывания людей на судне.

Цель расчетов вибрации – определение частоты собственных колебаний корпуса в целом и его частей (элементов). Сопоставляя их с частотой возмущающих (пульсирующих) сил, стремятся избежать их совпадения (резонанса). Уйти от резонанса можно двумя путями: изменить частоту собственных колебаний конструкции или частоту возмущающих сил. Второе направление реализуется установкой на судне более уравновешенных двигателей, применением амортизаторов, изменением числа лопастей у гребных винтов или частоты их вращения.