УДК 629.5:532.001(075) С34 ББК 39.42-011
Рецензенты:
заведующий кафедрой «Теория и проектирование корабля» Одесского национального морского университета Ю.Л. Воробьев д.т.н., профессор;
заведующий кафедрой «Теория и устройство судна» Одесской национальной морской академии В.М. Бондарь к.т.н., профессор.
Рекомендовано Министерством образования и науки Украины как учебное пособие для студентов высших учебных заведений, письмо № 14/18.2-1834 от 6.11.2003 г.
Сизов В.Г.
С 34 Теория корабля: Учебн. пособ. / Одесск. национальн. морская акад. - Одесса: ФЕНЖС, 2003. - 284 с.
ISBN 966-8289-31-5
В учебном пособии изложены вопросы геометрии корпуса судна, плавучести, остойчивости начальной и на больших углах крена, непотопляемости, прочности корпуса, качки судна, сопротивления воды движению судна, судовых движителей, управляемости судов. Предназначено для курсантов и студентов специальности 8.100301 «Судовождение».
ISBN 966-8289-31-5 |
© МП ФЕН1КС, 2003 |
|
© В.Г. Сизов, 2003 |
СОДЕРЖАНИЕ
От автора |
|
7 |
|
1. Геометрия корпуса судна |
|
8 |
|
1.1. Главные плоскости судна и система координат, связанная с судном |
|
8 |
|
1.2. Теоретический чертеж, главные сечения и главные размерения судна |
|
9 |
|
1.3. Характеристики формы судна |
|
|
11 |
2. Плавучесть |
|
14 |
|
2.1. Понятие плавучести. Посадка судна и параметры, ее определяющие |
|
14 |
|
2.2. Марки углубления |
|
|
15 |
2.3. Силы, действующие на плавающее судно. Условия и уравнения равновесия судна |
17 |
||
2.4. Нагрузка судна и ее расчет |
|
|
20 |
2.4.1. Массовые характеристики судна |
|
20 |
|
2.4.2. Объемные характеристики судна |
|
20 |
|
2.4.3. Регистровая вместимость |
|
21 |
|
2.4.4. Расчет массы и координат ЦТ судна |
|
22 |
|
2.4.5. Чертеж размещения грузов |
|
23 |
|
2.5. Объемное водоизмещение и координаты ЦВ |
|
|
25 |
2.5.1. Общие выражения для элементов плавучести |
25 |
||
2.5.2. Вычисление элементов плавучести |
|
26 |
|
2.5.3. Строевые и их свойства |
|
28 |
|
2.5.4. Кривые плавучести и грузовая шкала, пользование ими |
29 |
||
2.6. Изменение осадки судна |
• |
|
31 |
2.6.1. Прием и расходован ие груза |
|
31 |
|
2.6.2. Переход в воду иной плотности |
' |
33 |
|
2.7. Посадка судна с дифферентом |
|
|
34 |
2.7.1. Масштаб Бонжана |
|
|
34 |
2.7.2. Диаграмма осадок носом и кормой |
|
36 |
|
2.8. Запас плавучести и его контроль |
|
|
38 |
2.8.1. Понятие запаса плавучести, его нормирование |
38 |
||
2.8.2. Грузовая марка |
3 |
9 |
|
3. Начальная остойчивость |
|
41 |
|
3.1. Общие понятия остойчивости |
|
|
41 |
3.2. Равнообъемные наклонения. Теорема Эйлера |
|
|
42 |
3.3. Перемещения ЦВ при наклонениях. Метацентры и метацентрические радиусы |
44 |
||
3.4. Условие остойчивости судна. Метацентрические формулы остойчивости |
|
46 |
|
3.5. Коэффициенты остойчивости. Метацентрические высоты и их расчет |
|
48 |
|
3.6. Изменение остойчивости и посадки судна при перемещении груза |
|
50 |
|
3.6.1. Вертикальное перемещение груза |
|
50 |
|
3.6.2. Поперечное перемещение груза |
|
51 |
|
3.6.3. Продольное перемещение груза |
|
52 |
|
3.7. Влияние подвижных грузов на остойчивость |
|
|
53 |
3.7.1. Подвешенные грузы |
|
53 |
|
3.7.2. Жидкие грузы |
|
54 |
|
3.7.3. Сыпучие грузы |
|
58 |
|
3.8. Изменение остойчивости от приема или расходования груза |
|
59 |
|
3.8.1. Произвольная форма судна |
|
59 |
|
3.8.2. Случай прямостенного судна |
|
62 |
|
3.8.3. Нейтральные плоскости |
|
62 |
|
3.9. Изменение посадки судна при приеме или расходовании груза |
64 |
3.9.1. Прием малого груза |
64 |
3.9.2. Диаграмма изменения осадок оконечностей от приема 100 т груза |
65 |
3.9.3. Прием груза произвольной величины |
66 |
3.10. Влияние дифферента на остойчивость |
67 |
3.11. Малые неравнообъемные наклонеия судна |
68 |
3.12. Изменение остойчивости и посадки при переходе судна в воду другой плотности 73 |
|
3.13. Диаграмма метацентрических высот |
74 |
3.14. Определение остойчивости судна опытным путем |
77 |
3.15. Некоторые частные прикладные задачи |
78 |
3.15.1. Постановка судна в док и давление на кормовой кильблок |
78 |
3.15.2. Задача о судне на камне |
79 |
3.15.3. Подъем оконечности судна |
80 |
4. Остойчивость при больших наклонениях |
82 |
4.1. Предварительные замечания |
82 |
4.2. Основные понятия и геометрия больших наклонений |
82 |
4.3. Аналитические выражения для плеча остойчивости |
84 |
4.4. Диаграмма статической остойчивости |
85 |
4.5. Основные задачи статической остойчивости |
88 |
4.6. Динамическая остойчивость судна |
89 |
4.6.1. О характере действия внешних моментов |
89 |
4.6.2. Основные задачи динамической остойчивости |
90 |
4.6.3. Диаграмма динамической остойчивости |
92 |
4.6.4. Решение основных задач по диаграмме динамической остойчивости |
93 |
4.7. Построение диаграмм остойчивости |
94 |
4. 7. 1. Интерполяционные кривые плеч остойчивости формы |
94 |
4.7.2. Универсальные диаграммы остойчивости |
97 |
4.8. Более сложные задачи остойчивости |
99 |
4.8.1. Изменение диаграмм остойчивости при смещении грузов |
99 |
4.8.2. Действие шквала на судно с креном |
102 |
4.8.3. Кренящий момент, зависящий от угла крена |
104 |
4.8.4. Судно с отрицательной начальной остойчивостью |
107 |
4.8.5. Диаграмма остойчивости судна с подвижными грузами |
110 |
4.9. Нормирование остойчивости |
115 |
4.9.1. Предварительные замечания |
115 |
4.9.2. Критерий погоды |
117 |
4.9.3. Диаграмма статической остойчивости и метацентрическая высота |
120 |
4.9.4. Учет обледенения |
120 |
4.9.5. Дополнительные требования к остойчивости |
121 |
4.9.6. Альтернативные требования к остойчивости судов неограниченного района |
|
плавания |
123 |
4.9.7. Диаграмма предельных моментов |
124 |
4.9.8. Информация об остойчивости и прочности судна |
126 |
4.9.9. Требования к остойчивости при перевозке зерна |
127 |
5. Непотопляемость |
130 |
5.1. Общие понятия |
130 |
52. Категории затапливаемых отсеков |
130 |
53. Коэффициенты проницаемости |
131 |
5.4. Методы расчета аварийной посадки судна |
136 |
5.4.1. Общая характеристика методов |
|
136 |
5.4.2. Пример определения аварийной посадки при затоплении отсека в средней части |
||
судна |
|
137 |
5.5. Оценка непотопляемости в судовых условиях |
|
138 |
5.5.1. Способ интерполяции невязок |
|
139 |
5.5.2. Вспомогательная таблица к способу невязок |
|
141 |
5.5.3. Диаграммы аварийных посадок |
|
142 |
5.5.4. Симметричное затопление группы отсеков |
|
145 |
5.5.5. Затопление несимметричных отсеков |
|
146 |
5.5.6. Границы нагрузок, допустимых по аварийной посадке |
|
148 |
5.6. Требования Регистра Судоходства к аварийным посадке и остойчивости судна |
149 |
|
5.7. Информация о непотопляемости судна |
|
150 |
5.8. Спрямление судна |
|
152 |
6. Прочность корпуса судна |
155 |
|
6.1. Общие понятия о прочности корпуса |
|
155 |
6.2. Схема расчета прочности на тихой воде |
|
155 |
6.3. Контроль общей прочности в судовых условиях |
|
157 |
6.4. Приближенные формулы контроля общей прочности по изгибающему моменту на |
||
тихой воде в миделевом сечении |
|
161 |
6.5. Местная прочность |
|
163 |
6.6. Вибрация судна |
|
164 |
7.Качка судна
7.1.Основные понятия
7.2.Качка судна на тихой воде
7.2.1.Качка судна без сопротивления
7.2.2.Приближенное определение периодов качки
7.2.3.Влияние сил сопротивления
7.2.4.Замечания к упрощенной теории качки
7.3.Качка судна на волнении
7.3.1.Регулярное морское волнение
7.3.2. Качка судна на регулярном волнении 7.3.3. Влияние курса и скорости хода на качку судна
7.3.4.Качка параметрического типа
7.3.5.Нерегулярное волнение и его представление
7.3.6.Качка на нерегулярном волнении
7.4.Вопросы мореходности судов
7.4.1.Заливаемостъ
7.4.2.Слеминг
7.4.3.Разгон гребного винта и двигателя
7.4.4.Штормовые диаграммы
7.5.Воздействие качки
7.5.1.Ускорения, вызванные качкой
7.5.2.Силы, действующие на твердые грузы
7.5.3.Силы, действующие в сыпучих грузах
7.5.4. Воздействие качки на механизмы и приборы
7.5.5.Физиологическое действие качки
7.6.Успокоители качки
7.6.1.Общие сведения и классификация успокоителей
7.6.2.Успокоительные цистерны
7.6.3. Гидродинамические успокоители качки 7.6.4. Эффективность успокоителей качки
t
166
166
167
167
170
172
173
174
174
177
180
183
185
192
197
197
199
200
201
209
209
211
213
215
221
225
225
225
229
230
5
8. Сопротивление воды движению судна |
231 |
|
8.1. Понятия сопротивления воды и буксировочной мощности |
|
231 |
8.2. Разделение сопротивления воды на составные части |
|
232 |
8.3. Сопротивление трения и его расчет |
|
233 |
8.4. Экспериментальный метод определения сопротивления воды движению судна |
235 |
|
8.5. Способы приближенного расчета сопротивления воды |
|
238 |
8.6. Сопротивление и просадка судна при движении на ограниченной глубине |
|
244 |
9. Судовые движители |
249 |
9.1. Основные понятия, принцип действия и типы движителей |
249 |
9.2. Основы теории идеального движителя |
250 |
9.3. Элементы геометрии гребного винта |
252 |
9.4. Кинематические характеристики гребного винта |
254 |
9.5. Основные понятия теории крыла |
254 |
9.6. Скорости и силы на элементе лопасти |
255 |
9.7. Динамические характеристики гребного винта и характерные режимы его работы 256
9.8. Диаграммы для расчета гребных винтов |
258 |
9.9. Взаимодействие винта и корпуса судна |
259 |
9.10. Кавитация гребных винтов |
261 |
9.11. Основные задачи расчета гребных винтов |
262 |
9.12. Совместная работа гребного винта, двигателя и корпуса судна |
264 |
9.13. Гребные винты регулируемого шага |
269 |
10. Управляемость судна |
270 |
10.1. Основные понятия |
270 |
10.2. Циркуляция судна. Периоды и элементы циркуляции |
270 |
10.3. Силы и моменты, действующие на судно при циркуляции |
272 |
10.4. Диаграмма управляемости судна |
273 |
10.5. Влияние ветра и волнения на управляемость судна |
275 |
10.6. Взаимодействия судов при обгонах и расхождениях |
277 |
10.7. Инерционно-тормозные характеристики судна |
278 |
10.8. Средства активного управления судном |
279 |
Список литературы |
282 |
ОТАВТОРЛ
Предлагаемое учебное пособие содержит все разделы курса теории корабля, читаемого курсантам судоводительской специальности Одесской национальной морской академии.
Основу содержания составили лекции, которые автор читал в течение ряда лет курсантам судоводительского факультета.
При изложении материала предполагалось, что читатель знаком с основными сведениями из курсов высшей математики и теоретической механики.
В соответствии с действующими учебными планами подготовка судоводителей в настоящее время проводится по трем уровням: бакалавр, специалист и магистр. Содержание пособия рассчитано на высший уровень подготовки, для других уровней изучение курса может быть соответственно сокращено.
При изложении дисциплины наибольшее внимание обращалось на вопросы, относящиеся к мореходной безопасности судна.
Глава VI, посвященная контролю прочности корпуса судна, относится к строительной механике корабля, однако, поскольку такая дисциплина в учебных планах судоводительской специальности отсутствует, основные сведения по вопросам прочности корпуса судна излагаются при чтении курса теории корабля.
Глава X, посвященная управляемости судна, изложена в сокращенном виде по сравнению со значимостью этого раздела для судоводителей. Это является следствием того, что этот раздел подробно изучается в специальной дисциплине "Управление судном", читаемой на кафедре того же названия.
Автор выражает благодарность сотрудникам кафедры "Теория и устройство судна", просмотревшим рукопись и сделавшим ряд замечаний направленных на улучшение пособия. Особую благодарность автор выражает старшему преподавателю В.В. Степанову и ассистенту Ю.П. Кучеру, с которыми он обсуждал изложение некоторых вопросов курса, а также набравшим на компьютере текст книги и изготовившим иллюстрации к ней.
Автор надеется, что настоящее пособие облегчит и улучшит подготовку квалифицированных судоводителей для морского флота.
Все замечания и пожелания по улучшению пособия будут приняты с благодарностью, просьба присылать их в адрес ОНМА: 65029, Одесса, ул. Дидрихсона, 8, кафедра «Теория и устройство судна», В.Г. Сизов.
г. Одесса, июнь 2003 г.
7
1.ГЕОМЕТРИЯ КОРПУСА СУДНА
1.1.ГЛАВНЫЕ ПЛОСКОСТИ СУДНА И СИСТЕМА КООРДИНАТ,
СВЯЗАННАЯ С СУДНОМ
Форма корпуса судна представляет собой сложную поверхность двоякой кривизны. Для задания формы и ее ориентации на судне фиксируются три взаимно перпендикулярные плоскости, называемые главными плоскостями. Главные плоскости ориентированы следующим образом:
1. Диаметральная плоскость (ДП) - продольная вертикальная плоскость, проходящая через середину ширины судна; является плоскостью симметрии поверхности судна.
2.Плоскость мидель-шпангоута или, проще, плоскость миделя, обозначаемая на чертежах знаком Mi, - поперечно-вертикальная плоскость, расположенная посередине конструктивной длины судна.
3.Основная плоскость (ОП) - горизонтальная плоскость, проходящая через верхнюю кромку сечения горизонтального киля ДП, называемую килевой линией; при наклонной килевой линии основная плоскость проходит через точку пе-
ресечения килевой линии с плоскостью миделя.
Главные плоскости определяют систему координат, связанную с судном. За начало координат принимается точка пересечения главных плоскостей, за ось Ох принимается линия пересечения диаметральной и основной плоскостей с положительным направлением в нос, ось Оу образуется линией пересечения плоскостей миделя и основной с положительным направлением на правый
борт; ось Oz направлена вертикально вверх и образуется пересечением плоскостей миделя и диаметральной. Диаметральная плоскость есть плоскость xOz, плоскость миделя - yOz и основная - хОу (рис. 1.1). Таким образом, принятая система координат является левой.
1.2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ ЧЕРТЕЖ, ГЛАВНЫЕ СЕЧЕНИЯ И ГЛАВНЫЕ РАЗМЕРЕНИЯ СУДНА
Форма корпуса судна задается графически в виде теоретического чертежа, на котором для стальных судов изображается внутренняя поверхность наружной обшивки корпуса (без учета ее толщины), а для деревянных - наружная поверх-
. ность корпуса.
Теоретический чертеж является основным проектным чертежом судна. Он служит как для расчета мореходных качеств судна, так и для разработки общих проектных документов судна.
Теоретический чертеж (рис. 1.2) содержит вычерченные в масштабе линии сечения поверхности корпуса плоскостями, параллельными главным плоскостям судна.
РИСУНОК 1. 2. Теоюетический чеотеж
Линии сечения поверхности судна плоскостями, параллельными диаметральной плоскости, называются батоксами; параллельными плоскости миделя - шпангоутами и параллельными основной плоскости - ватерлиниями.
Очевидно, что сечения, образованные плоскостями, параллельными какойлибо главной плоскости, проектируются на нее в истинном виде, а на две другие главные плоскости - в виде прямых, являющихся следами секущих плоскостей. Эти прямые образуют сетку теоретического чертежа судна; изображенные сечения составляют три проекции теоретического чертежа: проекцию на диаметральную плоскость - бок, на плоскость мидель-шпангоута - корпус и на основную плоскость - полушироту.
Ввиду симметрии формы судна относительно диаметральной плоскости на теоретическом чертеже вычерчивают сечения только одного борта, при этом на чертеже корпуса с правой стороны от ДП изображают половины носовых шпангоутов, а слева - половины кормовых. Контур мидель-шпангоута вычерчивается на оба борта. На чертеже полушироты вычерчивают ватерлинии только левого борта. На всех трех проекциях наносится также бортовая линия палубы (линия пересечения поверхности палубы и борта), которая при наличии седловатости палубы будет пространственной кривой. Нос судна на чертеже располагается спра-
9
ва; проекции бока и корпуса - на одной основной линии (следа ОП в ДП), а полушироту располагают под чертежом бока.
Если судно имеет значительную цилиндрическую вставку, т.е. шпангоуты на большом протяжении в средней части имеют одинаковые очертания с мидельшпангоутом, то корпус располагают в средней части проекции бока.
Расчетная практика выработала рекомендации, в соответствии с которыми число равноотстоящих шпангоутов принимают равным 21, т.е. конструктивную длину разбивают на 20 равных частей, называемых теоретическими шпациями; число ватерлиний выбирают в зависимости от осадки судна, например, пробивают 8-10 ватерлиний от основной плоскости до конструктивной ватерлинии и 2-3 ватерлинии выше нее; число батоксов обычно 2-4 с одного борта. Нумерация шпангоутов устанавливается от носа к корме, ватерлиний - от основной плоскости вверх, батоксов - от ДП к борту, причем начальным сечениям присваиваются нулевые номера. В оконечностях иногда пробивают промежуточные и дополнительные шпангоуты, присваивая им номера в соответствии с их положением по длине, например:
Если требуется определить ординату поверхности судна в какой-либо точке А, не лежащей в сечении, изображенном на теоретическом чертеже, то на проекциях бока и полушироты проводят следы плоскости шпангоута, проходящего через точку А, на полушироте измеряют ординаты, а на боке - аппликаты этого шпангоута и откладывают их на соответствующих ватерлиниях и батоксах на проекции корпуса, проводят сечение шпангоута, на котором измеряют ординату на уровне точки А. Аналогично можно строить на полушироте участок ватерлинии, проходящей через точку А, используя ординаты шпангоутов и аппликаты батоксов, снятых с корпуса и бока.
Масштаб теоретического чертежа выбирается исходя из размеров судна и принимается для больших судов 1:200, для судов средней длины - 1:100 и для малых судов -1:50 или 1:25.
|
|
Сечения судна глав- |
|
|
ными |
вертикальными |
|
|
плоскостями и плоскостью |
||
|
конструктивной |
ватерли- |
|
|
нии (КВЛ) являются глав- |
||
|
ными или основными сече- |
||
|
ниями судна (рис. 1.3). Они |
||
|
дают общее представление |
||
|
о форме судна. |
|
|
|
|
Сечение |
корпуса |
Рисунок 1. 3. Главные сечения и главные размерена» судна |
диаметральной ПЛОСКОСТЬЮ |
состоит из палубной линии, имеющей подъем в нос и корму, образуя седловатость палубы; линии форштевня, имеющей большое разнообразие очертаний; килевой линии, обычно горизонтальной прямой, но иногда имеющей наклон в корму (конструктивный дифферент), и линии ахтерштевня с кормовым подзором.