Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

книги из ГПНТБ / Бронский, А. И. Основы выбора конструкций корпуса судна

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

20.10.2023

Размер:

8.42 Mб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1112 / 2012 13 14 15 16 17 18 19 20 > Следующая >>>

— ущерб, связанный с потерей судна во время рейса

Us=(\-tltc)Cc

CD,

(11.33)

где

С с = Стг + С« — полная

строительная

стоимость

судна;

Cw = SwG — строительная

стоимость

корпуса

судна;

C s — ч а с т ь строительной

стоимости

судна

(без стои

мости

корпуса),

не з а в и с я щ а я

от

номинального

уровня

безотказности

корпуса;

CD = STPDW

— стоимость

груза;

•Sir — удельная

стоимость

постройки

корпуса

судна;

sr p

— удельная стоимость

груза;

Dw—

грузоподъемность судна;

— время

безотказной

эксплуатации

установлен

ный срок с л у ж б ы судна;

— ущерб, связанный с выводом судна из дальнейшей

эксплуа

тации

Ua=3c(l-Wtc.

(11.34)

где

Э с — часть

среднегодового финансового

результата

эксплуата

ции

судна, не

з а в и с я щ а я

от

капитальных

з а т р а т

на

постройку и

п р е д с т а в л я ю щ а я собой годовую фрахтовую

ставку за вычетом рас

ходов на содержание команды,

з а т р а т

на топливо

и прочих рейсо

вых расходов. Учитывая, что в среднем

половина

пробега

танкеров

приходится на балластные переходы,

получаем

Э с = 0 , 5 s n D ^ 7 > c p - ^ c a v

(11.35)

где

/ > 0 д — среднегодовые

з а т р а т ы

на

содержание

переходы

судна;

Tf — полный

годовой

фонд ходового времени, ч/г;

vCp — средняя

эксплуатационная скорость, уз;

за — стоимость одной тонно-мили

перевозки;

— экономические санкции в связи с загрязнением

моря,

пропор

циональные количеству потерянного

груза

£ / c = s c D w r .

(11.36)

В итоге полный

ущерб в связи с рассматриваемым

отказом

U= Us+

U3+

U^swDw^,

(11.37)

где cps — безразмерный экономический показатель постройки и экс плуатации судна, зависящий от размереннй, скорости, численности команды и других эксплуатационно-экономических характеристик судна.

На основании (11.33) — (11.37) имеем

? , = Ф ( 1 - ^ С ) + ФК ,

(11.38)

где

Ф = - % - +			0 , 5 ^
	\v	\v		\vI V
s	u		s	5

ф„	. s r p

T f V c p t c - ^

(11.39)

s\vuw

~Ь $с	(11.40)

Тогда

уравнение экономической ответственности

(II.5)

прини

мает вид

dC{v

I dr

•s\vDw%-

(11.41)

d\V

соответствии с изложенным выше (см. §

вероятность от

каза принимается

в форме закона

Вейбулла

Р = ехр

s K

p r — My. в

(11.42)

м ср

где

Sup — опасное

для прочности

судна напряжение

в его свя

зях

(предел

текучести);

М т . в — абсолютное

значение

наибольшего

возможного

эксплуатации изгибающего

момента

на

тихой

м,

воде;

р,

км — п а р а м е т р ы

закона

Вейбулла .

учетом

распределения экстремальных

амплитуд

н а г р у з к и

в соответствии

(11.18)

1 - Г =

Р т

= - ^ - Р = ^ е х р

S|<p^ — М т . в

1М

(11.43)

М ср

где т с

— средний

период

процесса

нагруженпя

соответствии

с (11.27).

Масса металлического корпуса танкеров принята в форме, пред

ложенной Б. М. Конторовичем [55]:

G = AW + f,

(11.44)

где А

/ — величины,

зависящие

от

размерений

судна,

размеров

рубок

и механических

характеристик

материала, в частности, если

W измеряется

в м3 , a G — в т, то A =8L/D — в т / м 3 .

Тогда

dT_ =	J _ k ^ (sKpW — M T
dW	M cp

d C w = s w A ,			(11.45)
dW
sKp\V	— M T . D	•M	(11.46)
• exp	M cp		(11.46)
M cp	M cp

112

П о л а г а я

	W =•	W	M cp
	W =•	k?L2B	kVL2B
		k?L2B	kVL2B
после	преобразования в ы р а ж е н и я		(П.41) с учетом (11.43) —°
(11.45)	получим

swAkfL2B

sK P / sKpW —тт.

мм

= -f

или

ькр	W •	— in
		— in

ехр	ам
	ам
SWDW%'
sKpW	— mT , в
М а	о,
м	-м.
ф 5 A№LrB	(1Ы7)

В левой части уравнения представлены параметры внешней на грузки и механические характеристики материала, в правой -— экс плуатационно-экономические показатели и размерения судна. При нимая приближенно & м = 1 , что весьма близко соответствует реаль ным параметрам распределения внешних усилий (см. т а б л , 6), получаем

откуда

ам

Ak?L2B

1п

(11.48)

лкр

AL°-B kVa

si<p

Из

(11.38)

видно,

что безразмерный

экономический

п о к а з а т е л ь

эксплуатации

судна cps является функцией времени

безотказной экс

плуатации. Следовательно,

в ы р а ж е н и е

(11.48)

можно

представить-

в виде

W(t)

Wc—8W(t),

(11.49)

где Wc

-относительный

момент

сопротивления

поперечного

сече

ния

корпуса

при строительных

толщинах

связей.

тс

AL*B

kc?aM

1п(Ф + Ф к ) ,

(11.50)

а к р

^кр

5 А. И. Вронский и др .

113

5\V(t)—экономически	допустимое относительное	изменение
момента	сопротивления в течение эксплуатации судна
» y	w - ^ - ' ° 0 . + X - w	( П 5 1 )

Р а с п о л а г а я фактическими данными по экономическим показа телям танкеров, можно найти для них стандарт предельной проч ности с учетом таких (ранее не рассматривавшихся) факторов, как интенсивность эксплуатации судна, срок службы, скорость, числен ность команды, стоимость постройки и т. п. Если ввести некоторые эталонные эксплуатационные и экономические характеристики /Со> Фо, Фко для судна с определенными размеренпями, то можно коли чественно оценить необходимые изменения стандарта предельной прочности при изменении того или иного показателя:

где индексом	«О» обозначены			показатели		эталонного варианта
рудна.
Подставляя	выражение		(11.48) в (11.42), получим
.	1 п Р =	—	In	^АГ-В	k?aM
			тс	^АГ-В	k?aM
или
Очевидно, величина		Р	зависит т а к ж е		от	времени безотказной

эксплуатации. Подставляя значение cps, относящееся к моменту по

стройки судна	(/ = 0),	получим
	р	_	тс	AL*B					k^aM
		С	'с	(<D +	<D	K	)ZV		S , (	p
У типичных	танкеров		средних		и		крупных			размерений величина
Рс находится в пределах			1 0 - 1 0 — Ю - 1 2			,		т. е. близка к той, что прини

малась только исходя из оценки статистики морских аварий, без

подробных технико-экономических			расчетов [13], [101]. В				частности,
д л я танкера дедвейтом	160 000	т	при	исходных данных,			приведен
ных в работе [57], Р с ~ 3 - 1 0 ~ а .		Принято,			что корпус	выполнен			из
обычной углеродистой	стали, срок службы его — около						20	лет	на
динии Кувейт — Япония. Экономическая ответственность							за	загряз
нение моря не учитывалась в		связи		с	отсутствием	достоверных
данных.

114

Р а с ч ет показывает,		что величина отношения		6W/WC к концу
срока с л у ж б ы	того ж е судна составляет		около	10%, т. е. близка
к полученной	на основе	анализа Правил	классификационных об
ществ [63].

П о д отказом усталостного характера понимается такое повреж дение корпусной конструкции, которое не приводит к катастрофи


ческим последствиям во время рейса, но должно быть						устранено
при б л и ж а й ш е м ремонте.		Если	период от начала эксплуатации
судна или от последнего	ремонта		до появления		отказа	(развития
трещины) обозначить Ту,	то расходы			на ремонт	с учетом	сопутст
вующих работ, отнесенные к единице				времени,
	CpeM = Sp e H /ry .					(11.55)
Поскольку усталостный		ресурс конструкции			зависит	от уровня

напряжений в конструкции и, следовательно, от размеров ее связей, на основании (1.8) получим

6 С 9 К С П Л = 6 С к а п (Ту) + б = - 1 - 6 С к а п ( Г у ) - ^ б Т у . (11.56)

Минимум этой величины определяет оптимальный уровень уста лостной долговечности узлов и конструкций, а в итоге — оптималь


ные конструктивные размеры . Однако прямое			использование вы
р а ж е н и я (11.56) затруднено тем, что величины			7"у и S p e M		— случай
ные. Р а з б р о с величин усталостного ресурса конструкции					возрастает
с увеличением его среднего значения, что обусловливает					необходи
мость учитывать нижние		оценки значений Гу и оценивать				вероят
ность выхода за эти значения. Стоимость ремонта зависит от места
повреждения конструкции		и его размера, т. е. от случайных				факто
ров, учет которых	т а к ж е	необходимо вести вероятностными мето
дами, но на основе	верхних оценок соответствующих			величин. Ка к
отмечено выше, в § 7, еще нет достаточно достоверных					исходных:,
данных и методик	оценки	усталостной долговечности		конструкций,
которые позволили бы надежно выполнять расчеты,				подобные вы
текающим из в ы р а ж е н и я		(11.56). Вместе с тем, пользуясь				сопоста
вительными оценками, уж е в настоящее время			можно	дифференци

рованно подходить к проектированию			конструкций, различающихся
степенью экономической	ответственности			(например, объемом со
путствующих работ при ремонте,		последствиями				усталостного по
в р е ж д е н и я — вероятностью порчи		г р у з а ) .
Д а л ь н е й ш и е рассуждения основываются					на	предположений,
что каким - либо образом	достаточно		надежно			найдена	нижняя
оценка для усталостного	ресурса	конструкции			Т™[п. Если		T™in 1>
^ Г р , где Г р — межремонтный период, то
^ С э к с п л	= 6 С к а п ( Г р ) + А _ S p e				M .		(11.57)
			1	р

115

Это соответствует принятой практике планово-предупредительного ремонта и о т р а ж а е т невозможность проведения его в произвольное время (если только не возникнет аварийная ситуация) . Поэтому м о ж н о найти оптимальный ремонтный период, при котором для

выполнения условия Tyml"7^Tv	необходимо	обеспечить соответст
вующий уровень расчетных	напряжений .	Конечно, оптимальный

межремонтный период целесообразнее определять с учетом эконо мических показателей эксплуатации флота и работы всех ремонт ных предприятий. Однако т а к а я задача выходит за рамки про блемы оптимального проектирования судовых конструкций.

Возможен и другой вариант . При большом			объеме и	трудоем
кости	ремонтных работ обязательно выполнение условия			T y m i n ^
^nTv,	где п — некоторое	целое число. Если при этом п		близко
к tc/Tv,	то д о л ж н о быть	T y m l n ^ t c . Последний	случай	принци

пиально не отличается от ранее рассмотренного, если в расчете заменить Г р н а / с . В частности, это зависит от возможности обнару жения повреждений на судне во время осмотра: для неизолирован

ных	конструкций допустимо принять	Т , у ш 1 \| 1 < / С , а для	изолирован
ных	или труднодоступных — всегда Г	у 1 » 1 1 1 ^ ^ , с высокой	гарантией.

Такой подход к назначению усталостного ресурса конструкции воз

можен только при использовании	принципа	экономической	ответст
венности и пока еще недостаточно	отражен	в П р а в и л а х классифи
кационных обществ.
Если предусмотреть какую-либо кратность ремонта,			то вели
чина п определяется из условия минимума		функции
* с 6 С э к с п л = б С к а п (лТр ) + - £ - Sp e M .			(11.58)

Таким образом, принцип экономической ответственности раз личных элементов конструкций и корпуса судна в целом можно выразить в количественной форме. Если раньше при назначении


Норм допускаемых н а п р я ж е н и й				или других	нормативных		парамет
ров	поведения	конструкции	качественно		и в	значительной мере
субъективно оценивалось			относительное		значение конструкции
в обеспечении		нормальной	безаварийной		эксплуатации		судна,	то
при	совместном	использовании		современных		методов	расчета	и

принципа экономической ответственности можно объективно вы явить роль любого элемента конструкции в формировании общего технико-экономического уровня судового корпуса. Следовательно, принцип экономической ответственности должен не заменять, а до полнять остальные методы расчета при выполнении технико-эконо мических обоснований допустимых параметров поведения конст рукции.

Изложенный подход к разработке нормативов прочности, на дежности и долговечности корпусных конструкций имеет сущест в е

венные принципиальные преимущества перед традиционными мето

дами, поскольку он непосредственно учитывает случайный			харак
тер всех расчетных величин (нагрузок,	размеров	конструкций, ме*
ханическнх характеристик м а т е р и а л а ) .	Вместе с	тем этот	подход

не должен подменять имеющиеся конструктивные нормативы, отра женные в П р а в и л а х классификационных обществ.

Судовые корпусные конструкции проектируются с высокой сте пенью надежности. Поэтому их повреждения и особенно разруше ния нельзя в полной мере отнести к массовым событиям, которые рассматриваются в теории вероятностей. Кроме того, при малой вероятности повреждения расчетные значения располагаются

.в асимптотических областях распределений величин, где серьезно

сказывается	изменчивость	различных	параметров	внешних нагру
зок [13], а	статистический	материал	недостаточен	для уверенного

'суждения о правильности принятых теоретических законов распре деления.

Изложенное свидетельствует об определенной условности стати

стических методов расчета при их использовании для				абсолютных
оценок нормативов, на	что о б р а щ а л о с ь	т а к ж е	внимание в работах
[15], [36]. Тем не менее	статистические	методы	весьма	эффективны

для сопоставительных расчетов, с помощью которых при общности исходных предпосылок и на основе накопленного опыта судострое ния можно оценить влияние тех или иных отклонений от апробиро

ванных решений на	проектирование новых			конструкций. Н а д е ж
ность и экономичность		новых	конструкций не	д о л ж н а уступать ра
нее применявшимся.	В	этом	отношении использование расчетных

выражений в форме приращений, как предусмотрено выше, наи лучшим образом соответствует именно сопоставительному харак теру расчетов.

Наконец, статистические методы, экономически обоснованные, с л у ж а т мощным инструментом теоретических исследований. Они позволяют вскрывать объективные закономерности, о т р а ж е н н ы е в традиционных методах расчета конструкций и в П р а в и л а х класси фикационных обществ. П р и переходе к нормативным методам рас чета и проектирования корпусных конструкций наиболее целесо образной представляется детерминистическая форма, в которой нормативные коэффициенты назначаются и корректируются на ос нове статистических методов и экономических обоснований. Это по зволяет расширить сферу действия нормативов и дифференциро вать их с учетом конкретных особенностей проектируемого судна, но требует развития теоретических основ и накопления статистиче ских данных по всем составным технико-экономическим элементам проектирования, изготовления и эксплуатации корпусных кон струкций.

117

ГЛАВА III

Проектирование надежных

итехнологичных конструкций корпуса

Пр о е к т и р о в а н ие конструкций с оптимальными эксплуатацион ными и экономическими показателями в значительной мере опи рается на инженерное искусство конструктора. Под этим пони мается учет качественно различных требований к эксплуатации судна, а т а к ж е особенностей его постройки и ремонта. Сопостави тельная оценка показателей производится интуитивно на базе субъ ективного опыта проектанта. В задачу ж е оптимального проектиро вания входит объективный поиск конструктивного решения, наилуч шим образом отвечающего всем поставленным требованиям, на

основе четкого анализа количественно измеряемых		закономер
ностей.
Одно из главных направлений технического прогресса в корпу-
состроении — сохранение и повышение надежности	корпусных кон
струкций. Н а д е ж н о с т ь корпуса непосредственно связана		с техноло
гией и организацией производства. В теоретических	исследованиях

прочности и работоспособности конструкций корпуса, как правило, рассматриваются идеализированные конструктивные схемы, в кото

рых не	учитывается р я д		дополнительных		факторов,	связанных
с технологией		выполнения	работ,	особенностями производства на
разных	этапах	постройки	корпуса	(наличие	остаточных	сварочных

напряжений и деформаций, дефекты и неточности в конструкциях, возникающие в процессе технологических операций, случайный ха рактер технологических воздействий на элементы конструкций) . Вследствие этого при проектировании конструктор д о л ж е н учиты

вать не	только требования П р а в и л классификационных		обществ,
которые,	как принято считать,	гарантируют надежность	корпусов,
но и технологию производства,		а т а к ж е особенности постройки и
ремонта.

§10. Влияние особенностей производства

итехнологии постройки и ремонта на надежность

идолговечность корпусов судов

Основные конструкционные материалы судовых корпусов, осо бенно судостроительная сталь, отличаются относительно слабой чувствительностью к различным локальным эффектам перенапря жения, что объясняется главным образом развитием пластических

118

д е ф о р м а ц и й в той части материала, где н а п р я ж е н и я превышают предел текучести. В результате происходит перераспределение на пряжений, выравнивание и осреднение напряженного состояния. Если ж е локальные концентраторы напряжений находятся в зонах макроконцентрации напряжений, то при высоком уровне и цик лическом характере изменения во времени действующих здесь на пряжений эти концентраторы могут стать источником повреждений . Поэтому одним из основных способов повышения надежности яв ляется создание конструкций, в которых районы наиболее вероят


ного появления		микродефектов не		совпадают с		зонами	макрокон
центрации напряжений .
Причины появления опасной концентрации напряжений можно
условно	разделить на		к о н с т р у к т и в н ы е ,		связанные		с	оформле
нием корпуса		(вырезы	в деталях,	соединения деталей			обшивки и
набора,	нарушение непрерывности			связей и	т. п.), и т е х н о л о г и
ч е с к и е ,	вызванные особенностями			выполнения		операций		изготов
ления деталей,		сборки	и сварки узлов, секций и			корпуса		в целом.
Л ю б о й технологический процесс				изготовления		деталей		приводит

к местным изменениям структуры, химического состава, пластиче ских и прочностных характеристик материала в районе обработки (по линии газовой или механической резки, в зоне обработки дав лением до получения требуемых остаточных деформаций — гибка, штамповка и т. д . ) . В результате возникает местная анизотропия материала, появляется дополнительная микроконцентрация напря жений и снижается усталостная прочность конструкции. Так, кромка ширстрека на судах — один из наиболее напряженных эле ментов корпуса. Ее контуровка осуществляется с помощью газовой резки, при которой кромка может получиться неровной и с дефек

тами, особенно			при	ручной	резке. Эти	дефекты	очень	опасны
в	районе	выхода	на	кромку	стыкового	сварного	шва.	Поэтому
в	П р а в и л а х классификационных обществ					(в частности, в П р а в и л а х
Регистра		С С С Р )	предусмотрена зачистка и скругление					кромок

в поперечном направлении для устранения возможных локальных концентраторов напряжений .

Помимо изменения внутренней структуры и механических ха рактеристик материала деталей при их изготовлении сами готовые

детали по	р а з м е р а м и	конфигурации несколько отличаются	от но
минальных, заданных в проекте. Все неточности делятся на			общие
(габаритные размеры,		профиль гнутой или штампованной	детали)
и местные	(отклонение	от теоретических размеров и формы в от

дельных точках, в том числе дефекты кромок по длине и сечению

детали, что особенно существенно в случае обработки		кромок под
с в а р к у ) .
Отклонения	размеров и конфигурации деталей от номиналь
ных, а т а к ж е	дефекты кромок приводят при сборке	конструкции

119

к неточностям взаимного пространственного расположения деталей,

узлов и секций. Помимо этого появляются		еще и неточности		при
выполнении сборочных операций	(разметке,	установке,	прижатии,
фиксации деталей, производстве	различных	замеров и	д р . ) . В	ре

зультате полученных отклонений от номинальных размеров и кон фигурации конструктивных узлов возникает концентрация напря жений, нередко довольно значительная, которая приводит к замет

ному	снижению предельной и усталостной прочности конструкций
(см.	§ 3 ) .

Внедрение сварки явилось качественным скачком в судовом корпусостроении и внесло коренные изменения в технологию по

стройки	судов. Оно позволило резко	сократить трудоемкость работ,
особенно	т я ж е л ы х ручных, и существенно ускорило		сроки по
стройки	судов. Однако необходимо	учитывать, что	применение

сварки приводит к определенным дефектам конструкций в целом, сварных соединений и собственно сварных швов, которые могут вызвать концентрацию напряжений и снизить работоспособность конструкции. Характер особенностей и дефектов, причины их воз

никновения и способы выявления				по данным работы			[9] приведены
в табл . 10.
Сравнение	усталостной		долговечности			образцов	основного		ме
т а л л а и сварных		образцов,	выполненных из углеродистых и низко
легированных	сталей, показывает,			что	предел усталости сварных
образцов при	одинаковом		числе циклов			нагружения		уменьшается
примерно на 20% за счет			структурной		и	механической		неоднород
ности материала		в районе	шва и	зоны	термического			влияния	[8].

В случае появления более существенных дефектов в виде пор, не-

проваров, трещин в металле	шва снижение	усталостной прочности
сварных швов может быть еще значительнее		(на	50—60% и более
[13], [96]). Экспериментально	установлено т а к ж е ,		что усталостная

прочность сварных образцов при высоком качестве сварки и прак

тически	полном отсутствии дефектов шва уменьшается на 30—
40% по	сравнению с усталостной прочностью	образцов основного
металла	за счет геометрической концентрации	напряжений в зоне

усиления стыковых сварных швов [8]. Однако, учитывая возмож ные дефекты швов, усиления играют положительную роль, с н и ж а я средние напряжения и вероятность усталостных повреждений непо средственно по сечению шва. Поэтому в подавляющем большинстве

случаев зачистка поверхностей			стыковых	швов	нецелесообразна,
тем	более, что т а к а я	операция	трудоемка	и выполняется в основ
ном	пневматическим	инструментом, применять			который	в - целях
улучшения условий труда следует лишь				в исключительных			слу
чаях.
Неточности и дефекты изготовления, сборки и сварки						конструк
ций	далеко не всегда	являются	признаком	брака . Часто		они	нахо-

120

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1112 / 2012 13 14 15 16 17 18 19 20 > Следующая >>>

Соседние файлы в папке книги из ГПНТБ