Тус Рябченко

Необходимым и достаточным условием равновесия судна на поверхности воды, имеющего дифферент, является равенство сил тяжести и сил поддержания, а также когда центр тяжести и центр величины окажутся на одной вертикали, рис.4.4.

Рис.4.4. Силы действующие на судно

4.6 Понятие об остойчивости судна

Остойчивостью называется способность судна сопротивляться воздействию внешнего кренящего момента и возвращаться в исходное положение равновесия после прекращения действия момента, вызвавшего наклонение.

Понятие остойчивости связывается с действием на судно только моментов (пар сил) и, следовательно, равнообъемными наклонениями - наклонениями, при которых не меняется объем подводной части судна.

Если кренящий момент, приложенный к судну, возрастает постепенно и не вызывает угловых ускорений и, следовательно, и сил инерции, то при рассмотрении равновесия судна можно пользоваться условиями статического равновесия. Остойчивость при таких наклонениях называется статической.

Взависимости от того, какие наклонения рассматриваются, различают поперечную и продольную остойчивость.

Взависимости от величины угла крена поперечную остойчивость разделяют на остойчивость при малых углах наклонения или начальную остойчивость, и остойчивость на больших углах крена.

Остойчивое и неостойчивое судно. Восстанавливающий момент.

При наклонении судна изменяется положение центра подводного объема

судна (центра величины наклоненного судна) - С1, следовательно, равнодействующая сил поддержания будет приложена в точке С1 (рис.4.5 и 4.6). Если равнодействующие сил тяжести (Р) и поддержания (Q) образуют момент, стремящийся увеличить угол крена судна (рис.4.5) - то судно не остойчиво.

Если возникает момент Mв, стремящийся вернуть судно в исходное прямое положение, то судно остойчиво (рис.4.6).

Момент Mв называется восстанавливающим моментом и равен он произведению одной из сил пары на плечо lст

где: Р=D·g;

D – массовое водоизмещение; g-гравитационное ускорение.

51

С целью упрощения и совмещения рисунков в теории корабля обычно изображают судно в прямом положении, а ватерлинию, соответствующую наклонному положению судна (В1Л1), наклонной (рис.4.6.б). Очевидно, что Рис.4.6.а и 4.6.б эквиваленты, только следует помнить, что линии действия сил тяжести (Р) и поддержания (Q) перпендикулярны действующей ватерлинии (как для прямой, так и для наклонной). Мерой начальной остойчивости является метацентрическая высота h, равная Gm. На тех же рисунках видно, что h = Zc + ρ – Zg, где Zc - аппликата центра величины, ρ - радиус окружности, по которой точка Со переместилась в точку С1, Zg – аппликата цетра тяжести судна.

Чем больше h, тем остойчивее судно. Величина h зависит в основном от положения центра тяжести судна, т.е. от расположения груза. По этой причине балкер и буксир остойчивее, чем контейнеровоз и пассажирское судно. Метацентрическая высота характеризует начальную остойчивость (при углах крена до 10°-12о).

Характеристикой остойчивости при больших углах крена является диаграмма статической остойчивости (ДСО), которая строится для каждого варианта загрузки судна (рис.4.7.)

Рис.4.7. Диаграмма статической остойчивости

52

По горизонтальной оси откладываются углы крена, а по вертикальной восстанавливающие моменты или плечи остойчивости. Точка А диаграммы соответствует максимальному восстанавливающему моменту, когда во время качки ватерлиния доходит до скулы и до ширстрека, точка В соответствует углу потери остойчивости судном, т.н. «угол заката диаграммы».

Остойчивость судна, при мгновенно приложенном кренящем моменте называется динамической остойчивостью, которая характеризуется диаграммой динамической остойчивости (ДДО). О построении и использовании ДДО речь пойдет в последующих курсах — теории корабля и управлении мореходными качествами судна.

При продольных наклонениях судна применяется аналогичный подход и используется понятие продольной метацентрической высоты H, которая почти на два порядка больше h (H ~ L). По этой причине суда значительно чаще теряют поперечную, а не продольную остойчивость.

4.7 Понятие о непотопляемости судна

Непотопляемость - способность судна с частично затопленными отсеками не тонуть и не опрокидываться. Условия и обстоятельства, ведущие к такому финалу, чрезвыяайно разнообразны. Наиболее серьезными причинами является разрушение конструкции корпуса, приводящие к потери поперечной или продольной остойчивости или плавучести (или того и друго вместе в результате затопления отсеков).

Непотопляемость обеспечивается тремя комплексами мер: конструктивный комплекс - запас плавучести, разделение корпуса

переборками, палубами, платформами на водонепроницаемые отсеки; устройство надежных закрытий на всех вырезах и отверстиях в корпусе; оборудование специальных судовых систем и специального аварийного снабжения и инвентаря (пластыри, заглушки и т.д.);

превентивный (профилактический) комплекс - все меры по предотвращению попадания воды внутрь корпуса при эксплуатации; поддержание готовности экипажа, технических средств (систем, оборудования и аварийного снабжения) к борьбе за непотопляемость (проведением учебных тревог и тренажа);

оперативный комплекс - борьба за непотопляемость: экстренные меры по сохранению и повышению аварийной плавучести и остойчивости при получении пробоины и частичном затоплении помещений корпуса: заведение пластыря, установка заглушек, цементных ящиков, осушение, откатка и перекатка забортной воды, спрямление судна.

4.8 Понятие о ходкости судна

Ходкость - способность судна двигаться с заданной скоростью при минимальных затратах мощности. Способствуют повышению ходкости совершенствование формы корпуса, применение бульбообразной формы носовой и кормовой оконечности, уменьшение смоченной поверхности

53

крупных судов (за счѐт увеличения полноты обводов), оптимизация винтов, их очистка и полировка, очистка корпуса от обрастания, покраска подводной части корпуса самополирующимися красками.

Судно двигаясь благодаря движителю испытывает сопротивление воды и воздуха, на преодоление которого расходуется сила упора винта. Сопротивление воды сложное явление, включающее силы различной природы, зависящие от различных свойств жидкости. Это силы трения и силы давления.

Силы трения обусловлены касательными силами, возникающими на поверхности корпуса судна и зависящими от вязкости среды и состояния корпуса. На новых или хорошо очищенных и окрашенных корпусах силы трения уменьшаются.

Одна составляющая сил давления тоже связана с вязкостью и называется сопротивлением формы. Эта составляющая зависит от формы корпуса судна. У хорошо обтекаемых тел, с большим удлиненими и заостренной кормой эта составляющая невелика. У балкеров и барж она увеличивается.

Вторая составляющая сил давления зависит от сил гравитации и называется волновым сопротивлением. В результате при полном штиле возникают две системы, не зависящих от ветра, т.н. корабельных волн — в районе форштевня и ахтерштевня. На их величину оказывает значительное влияние форма носа и кормы. Например, носовой бульб уменьшает волновое сопротивление. При увеличении скорости волновое сопротивление резко возрастает.

Для судов при средних скоростях 15-20 узлов сопротивление воздуха значительно меньше сопротивления воды.

4.9 Понятие об управляемости Управляемость - способность судна выдерживать заданное направление

движения (устойчивость на курсе) и изменять его по команде судоводителя (поворотливость). Свойства антагонистичны: устойчивые на курсе суда имеют слабую поворотливость (линейные суда), а поворотливые суда (буксиры и другие портовые суда) не устойчивы на курсе (рыскливы).

Судно считается эксплуатационно-устойчивым на курсе, если его удается поддерживать на курсе 3 - 4 небольшими перекладками руля в минуту (2°-5°).

Характеристики управляемости в значительной степени определяются эффективностью руля, зависящей от его конструкции, площади пера руля, а также скорости судна. При уменьшении скорости судна эффективность руля резко падает. Поэтому для швартовки на судне устанавливаются подруливающие устройства и могут понадобятся услуги буксиров (рис.4.8).

54

Поворотливость характеризует манѐвр циркуляция (рис.4.9).

После перекладки руля на борт судно начинает дрейфовать под действием силы, приложенной к рулю, в сторону, противоположную повороту. Это смещение относительно первоначального направления движения называется обратным смещением. В этот период судно получает крен в сторону поворота. Постепенно судно разворачивается в сторону поворота, траектория его движения становится близкой к окружности. При этом судно наклоняется в другую сторону – наружу от траектории движения. Характерной точкой траектории является точка, в которой диаметральная плоскость судна (ДП) перпендикулярна первоначальному направлению движения судна. Расстояние от начала манѐвра до этой точки называется выдвигом, а поперечное смещение от первоначального направления движения до этой точки называется прямым смещением. Диаметр правильной окружности, которую начинает описывать судно, называется диаметром циркуляции.

Рис.4.9.Элементы циркуляции судна:

l1 – выдвиг, l2 - прямое смещение, l3 – обратное смещение. -угол дрейфа, Dц – диаметр55 циркуляции, Dt – тактический диаметр циркуляции

Расстояние между первоначальным направлением движения и точкой, в которой судно (ДП) повернулось на 180о, называется тактическим диаметром циркуляции. Поворотливость судна обычно оценивается по отношению диаметра циркуляции к длине судна (для морских судов 3-5).

Поворотливость судна и послушливость его рулю характеризует манѐвр «зиг-заг» или «змейка, речь о котором будет в последующих курсах.

4.10 Понятие о качке судна

При плавании судно подвергается качке лишь на взволнованной поверхности моря. При спокойной поверхности (на тихой воде) качку можно вызвать только искусственно. Основной причиной возникновения морских волн является кинетическая энергия ветра. Поведение судна на волнении зависит от характера волнения и характеристик самого судна, например его остойчивости, загрузки, формы корпуса, главных размерений, скорости и направления движения в данный момент по отношению к волне, наличия скуловых килей и т.д.

Колебательное движение судна представляет взаимосвязанную комбинацию трех видов качки: бортовой, килевой и вертикальной.

Период бортовой качки судна на тихой воде в сек, т.е. время, в течении которого судна наклонилось и встало - период собственных колебаний, можно получить по приближенной формуле

ТQ = k B/ h , где коэффициент k = 0,77 – 0,8 зависит от типа судна и состояния нагрузки.

приближенные значения периодов килевой ТY и вертикальной качки Тz

ТY = Тz = 2,4 T .

Важной характеристикой качки на волнении является амплитуда (наибольший угол наклонения судна по отношению к горизонту). Амплитуда во многом зависит от соотношения периода качки судна на тихой воде и периода волны.

Период волны – время в сек., в течение которого через данную точку пространства проходят смежные вершины или подошвы волны (рис.4.10).

В случае равенства или даже близких значений периодов волн и качки наступает резонанс и тогда амплитуда качки судна достигает больших значений.

56

Рис.4.10. Элементы ветровой волны:– длина волны; hв – высота волны;max – максимальный угол волнового склона

Показанная на рис.4.10 идеальная волна называется «регулярной» в отличие от реального морского волнения, которое называется «нерегулярным» и получается в результате наложения разных систем волн, влияния мелководья, побережья и т.д.

Поведение судна на волнении зависит от его остойчивости. Судно, обладающее большой метацентрической высотой, имеет сравнительно короткий период и стремительные размахи бортовой качки, судно с небольшой метацентрической высотой колеблется медленее. По этой причине качка буксира или балкера с тяжелым грузом, обладающих избыточной остойчивостью, переносится значительно хуже, чем качка на котейнеровозе или пассажирском судне. Качка безусловно вредное явление, уменьшить влияние которого на конструкции, механизмы и людей насущная задача. Для этих целей на судах устанавливают скуловые кили, активные рули, успокоительные цистерны, гироскопические успокоители, которые в основном уменьшают бортовую качку.

57

5.КОНСТРУКЦИЯ КОРПУСА

5.1.Понятие о прочности судна

Прочностью называется способность судна воспринимать действующие нагрузки без разрушений и остаточных деформаций.

Нагрузками для корпуса судна являются силы тяжести корпуса, оборудования, устройств, запасов, грузов и снабжения, силы гидростатического давления воды, инерционные силы при качке, удары волн о корпус и т.д.

Корпус судна, с точки зрения прочности, рассматривают как мощную пустотелую коробчатую балку переменного сечения, образованную бортами, днищем и верхней палубой и подкрепленную поперечными и продольными переборками, платформами и палубами.

Постоянные силы, действующие на судно, в целом взаимно уравновешиваются (силы тяжести и силы поддержания), но они распределены неодинаково по длине судна. Поэтому в пределах каждого ограниченного участка длины преобладают те или иные силы. Из-за этого в корпусе развиваются перерезывающие силы (стремящиеся сместить одну часть корпуса относительно другой) и изгибающие моменты, корпус судна деформируется как балка, получая прогиб (палуба сжата) или перегиб (палуба растянута) в вертикальной плоскости. Прочность этой балки-корпуса называется общей или продольной прочностью. При изгибе в сечениях корпуса появляются нормальные и касательные напряжения, которые уравновешивают внешние силы. Величины напряжений зависят от положения элемента корпуса по длине и высоте судна, достигая наибольших значения в районе миделя на палубе и на днище судна – нормальные напряжения и на четвертях длины судна примерно на середине высоты борта – касательные напряжения. Нормальные напряжения воспринимают балки, идущие вдоль судна, например: вертикальный киль, днищевые стрингера, карлингсы, продольные балки днища, двойного дна, палубы и обшивка корпуса. Указанные силы действуют как при отсутствии волнения, на так называемой «тихой воде» так и на волнении. Для каждого судна наиболее опасной является волна, длина которой примерно равна длине судна.

При этом, наиболее неблагоприятными являются положения судна, когда его мидель-шпангоут располагается на вершине либо на подошве волны

(рис.5 1).

Дополнительные напряжения, возникающие на волнении добавляются к напряжениям на «тихой воде».

Местная прочность – это прочность отдельных конструкций (палубы, двойного дна, люковых крышек, переборок и т.д.), воспринимающих различные местные нагрузки. Например, набор, настил палубы и люковые закрытия воспринимают вес расположенных на палубе и на крышках грузов, днище и борта — давление забортной воды. Наибольшие нагрузки, на которые рассчитаны конструкции, называются допустимыми. Они соответствуют допускаемым напряжениям, которые может воспринимать конструкция без ущерба для своей работоспособности и целостности в течении длительного

58

времени. В документах судна всегда задаются допустимые нагрузки на те перекрытия, которые предназначены для перевозки груза.

Рис.5.1. Изгиб судна на волнении: а – на вершине волны; б – на подошве волны.

1 – вышедший из воды объем; 2 – вошедший в воду объем; f – стрелка прогиба корпуса от действующих на него сил.

5.2. Элементы перекрытия. Перекрытия в составе корпуса, системы набора перекрытий

Перекрытием называется система балок, перекрытых настилом или обшивкой. Элементами перекрытия являются балки различного профиля (полосы, угольники, полособульбы, т-образные и другие профили) и стальные листы.

Рис.5.2. Профильный прокат.

1 – равнобокий угольник; 2 - неравнобокий угольник; 3 – швеллер; 4 – двутавр; 5 – углобульб; 6 – тавр; 7 – полособульб; 8 – симметричный полособульб; 9 – люковый профиль; 10 – сегментный профиль; 11 – прутковая сталь; 12 – труба.

Преобладающим типом соединений стальных конструкций в судостроении являются сварные соединения. Сварка обеспечивает равнопрочность соединения свариваемых листов, балок и других деталей (даже таких массивных как детали ахтерштевня и форштевня). Широко применяется и даѐт отличные результаты при высокой производительности труда автоматическая и полуавтоматическая электросварка под слоем флюса. Достаточно широко применяется ручная сварка и полуавтоматическая сварка в среде защитных газов.

Листы свариваются между собой, образуя полотнища. Балки привариваются к полотнищам, образуя перекрытия.

59

Рис.5.3.Типы сварных швов: а-встык без разделки кромок; б-встык с разделкой кромок и подваркой; в-угловой с разделкой кромок и подваркой; г-угловой без разделки кромок; д-тавровый односторонний без разделки; е-тавровый двусторонний с разделкой кромок.

Наиболее часто расположенные балки перекрытий называют балками главного направления. Балки перекрытия, сравнительно редко расположенные и перпендикулярные балкам главного направления, называют перекрестными связями. Перекрестные связи поддерживают балки главного направления, поэтому они выше и через них проходят балки главного направления.

В зависимости от положения в корпусе судна различают перекрытия: палубы, бортов, днища, переборок. Перекрытия на судне взаимонесущие, так как опираются друг на друга. В зависимости от ориентации основных балок различают систему набора судовых перекрытий. Если на перекрытии основные балки, т.н.балки«главного направления» расположены вдоль судна, то такое перекрытие апроектировано по

продольной систе-ме набора. Если балки главного направления идут поперек судна, то это перекрытие - по поперечной системе набора. Говорить о системе набора перекрытий поперечных переборок нет смысла. При вертикальном расположении балок главного направления на поперечных переборках - переборки с (вертикальными) стойками, а при горизонтальном - с

60