1.2 Расчет посадки судна при балластном пробеге

Расчет посадки судна при балластном пробеге принципиально ни чем не отличается от рассмотренного выше. Используя таблицу данных по танкам и цистернам и полагая все емкости заполненными, определяют параметры посадки и характеристики остойчивости, используя те же соотношения величин. Расчеты сводят в таблицу (см. табл.2).

Таблица 2 – Расчёт судна в балластном пробеге

Отсеки	Vi, м3	xi	zi	Vi*xi	Vi*zi
Форпик	210	38	2,2	5880	462
I	140	26	0,5	3640	70
II	210	5	0,5	1050	105
III	130	-15	0,5	-1950	65
Ахтерпик	140	-42	3,1	-5880	434
	∑ = 830			∑ = 2740	∑ = 1136

=8142,3; =18142,3;

; ;

; ;

; ;

;

Для судна с водоизмещением =18142,3 кН определяются параметры посадки в следующем порядке:

4. по грузовому размеру по кривым элементов определяется средняя осадка судна в балластном пробеге – Т^бср= 2,1м;

5. для этого значения Тср^б= 2,1м с кривых элементов снимаются значения x_c= -0,8м, x_f= -2,1м, z_c=1,1м, R= 275м, r= 7,8м;

6. подсчитываются угол дифферента и осадки оконечностей по выражениям

,ψ = -0,007

; H= 273,3;

;

;

Т_н^б = 1,8 м; Т_к^б = 2,4 м;

;

h^б = 6,1 м;

; 110668,03 кНм.

Здесь все величины снимаются с кривых при осадке, соответствующей водоизмещению судна в балласте - ;

Результаты расчетов:

Судно в грузу:

Осадка средняя 3,0 м

Осадка оконечностей 2,9 м 3,1 м

Аппликата ц. т. 3,6 м

Поперечная метацентрическая высота 2,9 м

Коэффициент остойчивости 77363,3 кНм

Судно в балласте:

Осадка средняя 2,1 м

Осадка оконечностей 1,8 м 2,4 м

Аппликата ц.т. 2,8 м

Поперечная метацентрическая высота 6,1 м

Коэффициент остойчивости 110668,03 кНм

II. КОНТРОЛЬ ОБЩЕЙ ПРОЧНОСТИ ГРУЗОВОГО СУДНА

Важной составной частью Информации являются сведения о прочности корпуса. Эти сведения представляются в виде графиков контроля продольной прочности, учитывающих возможный прогиб (перегиб) корпуса, и допускаемых значений нагрузок на настилы палуб, второго дна, переборок, крышки люков и другие несущие конструкции.

Расчетные нагрузки на тихой воде (изгибающие моменты и перерезывающие силы, а также их предельно допустимые значения) могут быть представлены в функции только от дедвейта судна. Это существенно упрощает как построение, так и практическое использование графиков прочности, являющихся частью Информации, предназначенной для контроля продольной прочности корпуса.

Порядок построения графиков рассмотрим на примере, когда контроль продольной прочности осуществляется только по миделевому сечению. Для построения графиков воспользуемся методикой постатейного определения изгибающих моментов на тихой воде.

Исходные данные:

Длина расчетная L=92м;

Ширина В=13 м;

Осадка расчетная Т=3,4 м;

Длина кормовой надстройки =16 м.

1. Задаём два типовых значения дедвейта, кН:

= 16677; =11673,9.

2. Определяем отвечающие этим значениям дедвейта коэффициенты общей полноты.

По кривым элементов для водоизмещения 26677 и 21673,9 вычисляют осадку Т₁=3,0м, Т₂=2,5м и объёмное водоизмещение V₁=2719,4м³ и V₂=2209,4м³.

По формуле

определяют коэффициенты общей полноты d₁ и d₂:

d₁=0,76; d₂=0,74;

3. Находят коэффициент по формуле в зависимости от d_i:

_{; 1}=0,201; ₂=0,197.

4. Вычисляют коэффициент в зависимости от и d₁:

= 0,248

5. Определяем моменты дедвейта, отвечающие нулевым изгибающим моментам на тихой воде кН×м:

2601132,1; 1615292,7.

6. Строим график, на котором по горизонтальной оси (ось абсцисс) откладывают значения дедвейта D₁ и D₂ (рис.2), а по вертикальной оси (ось ординат) — значения моментов дедвейта =2601132,1кНм и =1615292,7кНм.

Пересечение соответствующих абсцисс и ординат определят на поле графика две точки 1 и 2 (см. рис. 2). Прямая, проходящая через точки 1 и 2, образует линию нулевых изгибающих моментов на тихой воде.

7. Допускаемые значения изгибающего момента на тихой воде определяют для случаев «в море», «на рейде», «в порту». Допускаемые напряжения при изгибе корпуса судна в вертикальной плоскости применительно к сухогрузному судну (палуба) :

для перегиба s_тв = 73,6 Н/мм² ;

для прогиба s_тв = 78,5 Н/мм².

8. Вычисляют базисный момент сопротивления палубы судна, см³ по формуле:

; W_б=1 245 041,2

9. Определяем значения допускаемых изгибающих моментов на тихой воде для случая «в море» в случае прогиба и перегиба:

перегиб: М_твдоп=91 632,03

прогиб: М_твдоп=97 735,7

10. От линии нулевых изгибающих моментов по вертикали откладывают удвоенные значения М_твдоп (для перегиба — вверх, для прогиба — вниз). Через полученные точки эквидистантно линии нулевых моментов проводят границы:

«Опасно — перегиб в море»,

«Опасно — прогиб в море».

11. Умножением 2 М_твдоп на 1,25 и 1,5 по аналогии с п. 10 соответственно получают границы «Опасно на рейде» и «Опасно в порту».

После построения диаграммы прочности необходимо определить изгибающий момент в миделевом сечении по графику в рассматриваемом случае загрузки (раздел 1).

Перегиб: 2 М_твдоп = 183 270,06; 2 М_твдоп * 1,25 = 229 087,6; 2 М_твдоп * 1,5 = 274 905,1.

Прогиб: 2 М_твдоп = 195 471,4; 2 М_твдоп * 1,25 = 244 339,25; 2 М_твдоп * 1,5 = 293 207,1.

На оси абсцисс находится точка, отвечающая . В этой точке восстанавливают перпендикуляр до значения M_DW по шкале ординат и находим точку А. По вертикали измеряют расстояние от точки А до линии нулевых значений М_тв в масштабе шкалы М_DW, и находим искомое значение (рис.2)

Величину M_DW вычисляют по табл. 3.

Таблица 3 - Вычисление моментов грузов дедвейта, расположенных в нос от рассматриваемого сечения х

№ трюма	Масса груза	Отстояние цт груза от миделя в нос хi, м	Статический момент масс дедвейта mi хi, тм
Трюм №1	127,27	26	3309,02
	300		7800
Трюм №2	400	5	2000
	72,73		363,65
Итого дедвейта	= 900		= 13472,67
, МDW = 132 166,9 кНм

III. ПРОВЕРКА СООТВЕТСТВИЯ ОСТОЙЧИВОСТИ СУДНА ТРЕБОВАНИЯМ ПРАВИЛ РЕГИСТРА

Остойчивость судна для расчетного случая загрузки проверяется по основному критерию остойчивости Правил Речного Регистра для судов класса М-СП (разд.2.1 Правил, часть IV, Остойчивость). Все вычисления и построения, связанные с проверкой остойчивости, должны производиться в полном соответствии с требованиями, изложенными в Правилах, и приступать к выполнению этого раздела следует только после детального ознакомления с положениями в части IV Правил.

За угол заливания - можно принять угол входа в воду верхней кромки комингса грузового люка (см. рис.3).

а=1,0¸1,1 (м) b=0,9¸1,2 (м)

Рис. 3. К определению угла заливания

Расчет площади парусности - и аппликату ц.т. площади парусности - можно выполнить, используя эскиз бокового вида судна. К площади парусности следует отнести площади проекций на ДП надводной части корпуса, надстройки и палубного груза, представив эти элементы в виде простых фигур (см. рис.4).

Рис.4. К расчету парусности судна

Расчет и удобно производить табличным способом (см. табл.4.).

Таблица 4

Элементы	li	hi	zi	Si	Sizi
Надводный борт	92	2,1	4,45	193,2	895,74
1 ярус	16	2,5	6,75	40	270
2 ярус	12	2,5	9,25	30	277,5
Рубка	10	3,0	12	30	360
Фальштруба	3	3,0	12	9	108
Фальшборт	13	0,9	7,95	11,7	93,02
Бак	6,5	2,0	6,5	13	84,5
Ют	6,5	2,0	6,5	13	84,5
Комингс	61-2=59	1,0	6,5	59	383,5
				ΣSi=398,9	ΣSizi=2556,76

; ; ; ;

;

=398,9; =6,4;

Кренящий момент = 317,2 кН

Значения допускаемых моментов находятся по диаграммам остойчивости.

Условные координаты

=3,13

=1,3

Поперечный метацентрический радиус r=5,0 и аппликата центра величины z_c=1,5 и z_g=3,6 снимается с кривых элементов плавучести при осадке, соответствующей загрузке судна (раздел 1)

Статические плечи остойчивости

.

Диаграммы остойчивости рассчитывается в табл.4.

Плечо допустимого кренящего момента определяется по диаграмме остойчивости, построенной по результатам расчета табл. 5 на миллиметровке формата А4, по следующему алгоритму.

Диаграмма продляется в область отрицательных углов крена с присвоением знака минус значениям плеч остойчивости.

На оси абсцисс диаграммы откладывается значение угла заливания, рассчитанного по формуле:

Или определенного по рис. 3.

Таблица 5 - Расчет диаграммы остойчивости

				yc90*f1(θ)	zc90*f2(θ)	r*f3(θ)	(zg-zc)*sinθ	sinθ	, м
0	0	0	0	0	0	0	0	0	0
10	0,12	-0,05	0,115	0,376	-0,065	0,575	0,416	0,17	0,47
20	0,41	-0,16	0,15	1,283	-0,208	0,750	0,884	0,34	0,941
30	0,74	-0,25	0,11	2,316	-0,325	0,550	1,300	0,5	1,241
40	0,99	-0,32	0,04	3,099	-0,416	0,200	1,664	0,64	1,219
50	1,12	-0,25	-0,02	3,506	-0,325	-0,100	2,002	0,77	1,079
60	1,08	-0,08	-0,06	3,380	-0,104	-0,300	2,262	0,87	0,714
70	0,85	0,20	-0,06	2,660	0,260	-0,300	2,444	0,94	0,176
80	0,47	0,58	-0,08	1,471	0,754	-0,400	2,574	0,99	-0,749

Начальная поперечная метацентрическая высота, м

=2,9.

Допустимый кренящий момент от действия ветра в условиях бортовой качки, согласно рекомендациям РРР /2/, определяется путем вычисления следующих безразмерных параметров.

Параметр n₁

;

n₁=0,75

Параметр m₀

;

m₀=1,942

Параметр m₁

.

m₁=1,14

Параметр m₂ вычисляется в зависимости от отношения ширины судна к его осадке B_T=B/T=3,8.

.

m₂=0,797

Параметр m₃вычисляется в зависимости от коэффициента общей полноты судна =0,76

m₃=2,46-4,426δ+2,714δ²

m₃=0,66

Параметр mвычисляется по формуле

.

m=0,6

Угол крена (в градусах) при бортовой качке вычисляется в зависимости от параметра m для различных классов РРР судна по формулам

Для класса «М»

.

θ_m=19,2

На оси абсцисс диаграммы остойчивости влево откладывается значение и проводится горизонталь с таким расчетом, чтобы заштрихованные площади были равны друг другу (работа кренящего момента равна работе восстанавливающего момента). Аппликата горизонтали есть плечо допустимого момента l_доп.

Допустимый кренящий момент

=1,025*9,81*2719,4*0,25 = 5478,6 кНм.

Построив ДСО и ДДО (см.рис.5), определить значение плеча допускаемого момента по углу заливания на обеих диаграммах. Расхождение результатов не более 2% свидетельствует об отсутствии ошибки в результатах расчета. Сравнив значения кренящего момента и допускаемого момента, следует сделать вывод о соответствии остойчивости судна требованиям Правил Регистра.

М_доп>М_кр

Судно остойчиво.

IV. РАСЧЕТ НЕПОТОПЛЯЕМОСТИ

Под расчетами непотопляемости понимают расчеты по определению параметров посадки и остойчивости судна в аварийных ситуациях, связанных с затоплением части помещений непроницаемого корпуса, заливанием надводной части судна и другими ситуациями, ведущими к утере судном части мореходных качеств. Такие расчеты обязательно предшествуют мероприятиям, связанным с обеспечением живучести судна в аварийных ситуациях. В курсовом проекте студент должен рассчитать положение аварийной ватерлинии при затоплении одного из грузовых отсеков судна, вычислить значение поперечной метацентрической высоты и произвести оценку ситуации в соответствии с требованиями Правил Регистра и непотопляемости судна.

Параметры посадки и положение аварийной ВЛ определять по методу приема груза. Вода, поступившая в трюм, считается дополнительно принятым грузом.

Количество поступившей воды зависит от степени заполненности трюма грузом и от положения аварийной ВЛ. Первое обстоятельство учитывается с помощью коэффициента проницаемости, который можно принять для массовых грузов 0,6, для тарно-штучных 0,8, а для лесных и хлопка в кипах 0,4. Второе обстоятельство, определяющее уровень воды в трюме (при сообщении последнего с забортной водой), учитывается в расчете способом последовательных приближений.

В первом приближении уровень воды в трюме считается совпадающим с положением неаварийной ВЛ (для исходного положения, рассчитанного в первом разделе проекта):

1. для этой ситуации определяется количество и вес влившейся воды, по кривым элементам находится средняя осадка, вычисляется дифферент судна и осадка оконечностей;

2. положение аварийной ВЛ наносится на боковую проекцию судна (эпюру емкостей) и определяется уровень воды в трюме во втором приближении;

3. с учетом этого уточняется количество влившейся воды и расчет повторяется;

4. получив новые значения осадок оконечностей, вычисляют абсолютные и относительные невязки и и, если относительная невязка не превосходит 5 % расчет считается законченным;

5. до средней осадки, полученных последних приближений, снимаются с кривых элементов значения и .

V_в=V’_тр*μ =1040*0,6 = 624 м³

V_в=V’_тр*μ = 160*0,4 = 64 м³

Таблица 6

Дедвейт		Масса	Объём Vi	Вес Pi	Координаты ц.т.		Статические моменты
		Т	м3	кН			Pi*xi	Pi*zi
Трюм №1	Хлопок в кипах	127,27	280	1248,5	26	3,4	32461	4244,9
	Тарно-шт.	300	600	2943		2,59	76518	7622,4
Трюм №2	Конт-ры.	400	1040	3924	5	2,99	19620	11732,8
	Хлопок в кипах	72,73	160	713,5		3,3	3567,5	2354,5
	Вода	688	688	6749,3		2,26	33746,5	15253,4
Трюм №3	Уголь	300	270	2943	-15	3,0	-44145	8829
	Мин.-стр. гр.	500	400	4905		2,18	-73575	10692,9
Балласт №3	Вода	130	130	1275,3		0,5	-19129,5	673,6
Итого				24701,6			28063,5	61403,5

; ;

;

.

Для судна с водоизмещением =34701,6 кН определяются параметры посадки в следующем порядке:

7. по грузовому размеру по кривым элементов определяется средняя осадка судна в грузу без ба лласта - =3,8;

8. для этого значения =3,8м с кривых элементов снимаются значения x_c=-2,4м, x_f= -3,8м, z_c=1,98м, R=150м, r=4,1м;

9. подсчитываются угол дифферента и осадки оконечностей по выражениям

,

’= 0,006рад - угол дифферента

где

Н=149,08м - продольная метацентрическая высота

;

;

=4,1м; =3,5м

Определение поперечной метацентрической высоты ведется методом постоянного водоизмещения, при котором вес судна и положение его ЦТ считается неизменным (как до аварии), а объем аварийного отсека и площадь ватерлинии, принадлежащей этому отсеку, считаются утерянным.

Величина определяется по выражению

=3,18;

где - аппликата центра тяжести судна «на отход»;

- аппликата центра величины при осадке аварийного судна; Анализ результатов расчета в этом разделе проекта должен касаться требований Правил Регистра непотопляемости. Требования удовлетворены, если аварийная ватерлиния не пересекает предельную линию погружения, а значения м.

V. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК КАЧКИ И ЗОН ОПАСНЫХ КУРСОВЫХ УГЛОВ И СКОРОСТЕЙ ХОДА

Периоды свободных колебаний судна подсчитываются по приближенным формулам:

Период бортовой качки ;

τ_θ=5,8

Периоды килевой и вертикальной качки

;

τ_ζ=1,3

Определение зоны скоростей и курсовых углов опасных из-за высокой вероятности появления резонансных колебаний проводится по штормовым диаграммам.

В судовых документах обычно используется универсальная диаграмма Ремеза.

В курсовом проекте предлагается рассчитать и построить штормовую диаграмму Власова ( на базе которых и создана диаграмма Ремеза). Эти диаграммы наглядней, а для волнения, близкого к регулярному, дают более точные рекомендации по выбору безопасных курсовых углов и скоростей хода.

На диаграммах Власова (см. рисунок 6) в полярных координатах, где лучи определяют курсовые углы, а концентрические окружности - скорость хода, выделяются резонансно-опасные зоны, рассчитанные для конкретного судна и определенного спектра волнения, характеризуемого длиной волны .

Условия резонанса – совпадение периодов свободных колебаний и кажущегося периоды волны , то есть времени прохождения последовательно идущих волн через мидель судна, движущегося со скоростью под некоторым курсовым углом . Зоной возможного резонанса принято считать зону определяющую 30 % отклонения от резонансного значения, то есть

4,06< τ_каж<7,54

0,91<τ_каж<1,69

Кажущийся период волны, скорость хода и курсовой угол связаны соотношением:

Для построения диаграммы Власова следовательно проводятся концентрические окружности, определяющие скорость хода судна (включая расчетную), и лучи под углами от 0 до 180 градусов, определяющие курсовые углы (при этом при равно 0° волнение встречное, при 180° – попутное). В такой системе координат любое произведение представляется в виде вертикальной прямой. Поэтому, два значения , подсчитанные при и , на диаграмме образуют зону скоростей и углов курса, опасных при бортовой качке, а при подстановке - опасную по вертикальной качке.

Искомые значения

,

=1,51

=-2,69

=33,05

=14,29

где длина волны определяется индивидуальным заданием на проектирование. Зону опасную по бортовой качке рекомендуется заштриховать на диаграмме горизонтальными, а по вертикальной качке – вертикальными линиями.

VI. РАСЧЕТ И ПОСТРОЕНИЕ ХОДОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СУДНА

Ходовые характеристики судна (ХХС) – это материалы, по которым можно рассчитать скорость движения судна в зависимости от состояния загрузки и режима работы судовой энергетической установки, определить потребное ходовое время и запас топлива на рейс, а также установить оптимальный режим работы СЭУ для достижения требуемой скорости в тех случаях, когда движение на полном ходу не экономично. ХХС в судовых документах представляют так называемые, паспортные диаграммы, получаемые обычно при сдаточных ходовых испытаниях конкретного судна либо головного судна серии.

В курсовом проекте ХХС получают расчетным путем, как это делается на этапе проектирования в конструкторском бюро. Для этого рассчитываются зависимости сопротивлении воды движению, суммарные полезные силы упора движителей и затрачиваемой мощности от скорости движения и частоты вращения гребных валов, то есть

, , .

Расчет сопротивления в курсовом проекте производится на основе методики, разработанной для судов смешанного плавания, по несколько упрощенным выражениям, учитывающим узкий диапазон геометрических параметров корпусов рассматриваемых судов.

Расчетная формула имеет вид:

, [кН]

здесь – площадь смоченной поверхности корпуса рассчитывается по формуле

,

где – скорость судна в м/с (задается);

- плотность воды, для пресной и для морской воды;

- коэффициент сопротивления трения подсчитывается по формуле

,

где – число Рейнольдса, а кинематический коэффициент вязкости можно принять ;

- коэффициент остаточного сопротивления

,

где число Фруда

.

- некая суммарная надбавка, учитывающая шероховатость поверхности, телесность корпуса и выступающие части.

k₀=1,243;

Расчет произвести при двух значениях осадки – в полном грузу и в балласте. Расчет свести в таблицу 7.

Таблица 7 - Расчет сопротивления

Исходные данные: 92 B =13 3,0 2,1 1,025 1.5·10-6 1429,5м2 1167,3м2
1.		км/ч	10	15	19	22
2.		м/с	2,78	4,17	5,28	6,11
3.	·106		170	255	324	375
4.			0,0019	0,0018	0,0017	0,0017
5.			0,092	0,138	0,176	0,203
6.	Cw*10-3		0,069	0,103	0,131	0,151
7.		кН	21,6	46	75,4	116
8.		кН	21,4	44	73	108

Для расчета полезного упора и потребляемой мощности используются диаграммы испытаний гребных винтов в свободной воде (те, что нужны при расчетах в курсовом проекте, приведены в приложении). Предварительно, следует рассчитать коэффициенты взаимодействия винта с корпусом судна по формулам

Коэффициент попутного потока

,

W=0,144

где – диаметр винта;

Коэффициент засасывания

.

t = 0,161

Расчетные формулы для определения суммарного полезного упора судна и затрачиваемая мощность имеют вид:

, [кН]

. [кВт]

Коэффициенты упора и момента

и

снимаются с диаграммы в зависимости от шагового отношения винтов и относительной поступи .

Расчеты свести в таблицу (таблицу 8, таблицу 9, таблицу 10). Такие же таблицы следует рассчитать для режима среднего и малого ходов, которые можно условно считать долевыми частотами

,

Результаты расчетов представляются в графическом виде на рисунке 6.

Таблица 8 – Расчёт ХХС на полном ходу

Данные ; 1,025 5,5 0,144 0,161 1,6 1,15
1.		км/ч	6	10	15	19	22
2.		м/с	1,66	2,77	4,16	5,27	6,11
3.		м/с	1,42	2,37	3,56	4,51	5,22
4.			0,16	0,27	0,40	0,50	0,59
5.			0,45	0,41	0,33	0,29	0,24
6.			0,048	0,045	0,042	0,039	0,035
7.		кН	149,6	136,3	109,7	96,4	79,8
8.		кВт	1107	1037	968	899	807

Таблица 9 – Расчёт ХХС на среднем ходу

Данные ; 1,025 4,675 0,144 0,161 1,6 1,15
1.		км/ч	6	10	15	19	22
2.		м/с	1,66	2,77	4,16	5,27	6,11
3.		м/с	1,42	2,37	3,56	4,51	5,22
4.			0,19	0,31	0,47	0,60	0,69
5.			0.44	0,38	0,30	0,25	0,19
6.			0,047	0,043	0,039	0,035	0,031
7.		кН	105,7	91,3	72,0	60,0	45,6
8.		кВт	665	609	552	495	439

Таблица 10 – Расчёт ХХС на малом ходу

Данные ; 1,025 3,85 0,144 0,161 1,6 1,15
1.		км/ч	6	10	15	19	22
2.		м/с	1,66	2,77	4,16	5,27	6,11
3.		м/с	1,42	2,37	3,56	4,51	5,22
4.			0.23	0.38	0,57	0,73	0,84
5.			0,43	0,37	0,28	0,18	0,1
6.			0,046	0,041	0,035	0,030	0,022
7.		кН	70,0	60,3	45,6	29,3	16,2
8.		кВт	363	324	276	237	174