4.2Нагрузки испытываемые судном

Какие нагрузки испытывает судно? На корпус судна, идущего по спокойной воде, действуют гидростатические силы давления, которые возрастают с увеличением глубины. С другой стороны, судно является «свободной балкой», которая при изменении дифферента и крена всегда стремится занять такое положение, чтобы ее центр тяжести и точка приложения выталкивающей силы находились на одной вертикали. Судно подвержено поперечным нагрузкам вследствие давления забортной воды, а также нагрузкам от собственного веса и выталкивающей силы, действующим в противоположных направлениях. Величина этих нагрузок изменяется с изменением состояния нагрузки и положения судна относительно поверхности воды. По типу внешних сил, действующих на корпус судна, выделяют различные нагрузки, которые действуют на него более или менее одновременно.

Нагрузка на корпус судна от действия гидростатического давления воды и веса груза 1 - давление на корпус судна (сила поддержания), 2 - давление воды на борт судна

Продольная нагрузка на судно вызывается различным распределением веса и выталкивающей силы по длине судна. Если сравнить распределение веса на нагруженном, готовом к эксплуатации судне с распределением выталкивающей силы по осадке и ширине судна, т. е. по погруженному поперечному сечению, то, в общем, в отдельных местах вес не совпадает с выталкивающей силой. У судна, идущего по спокойной воде, в оконечностях, как правило, преобладает сила веса; выталкивающая сила здесь невелика из-за заостренной формы корпуса. Например, в районе середины судна (большие поперечные сечения) выталкивающая сила больше, чем вес. Вследствие несовпадения распределения веса и выталкивающей силы по длине судна оно нагружается как изгибающаяся балка. Разница между этими силами должна восприниматься продольным набором корпуса судна. В верхних палубах действуют нормальные растягивающие напряжения, при изгибе в днище - изгибающие напряжения сжатия, а в наружной обшивке - касательные напряжения, компенсирующие поперечные силы. Но в палубах также могут возникнуть напряжения сжатия, а в днище - растяжения, если в районе середины судна действуют особенно большие нагрузки. Эти напряжения растяжения, сжатия и сдвига у судна, идущего по спокойной воде, относительно малы, но они существенно увеличиваются на волнении.

Нагрузка на судно на волнении а - судно на вершине волны, b - судно на подошве волны

Чтобы избежать дополнительных продольных нагрузок, в грузовые планы, составляемые верфью, включаются указания, каким образом в соответствии с важнейшими случаями загрузки и осадок должны распределяться грузы в трюмах по длине судна. Таким образом, достигается достаточно хорошее соответствие веса судна и выталкивающей силы в отдельных районах судна. Однако на нагрузки при волнении это оказывает лишь самое небольшое влияние. Эти нагрузки достигают максимума, когда длина волны равна длине судна. Это обстоятельство нельзя забывать, потому что наряду с обычными океанскими штормовыми волнами длиной 90—100 м наблюдаются волны длиной до 900 м, а высота волны при сильном шторме и в ураган достигает 13 м и больше. Если вершина волны находится на середине длины судна (судно на вершине волны), то в средней части судна преобладает выталкивающая сила, а в оконечностях, находящихся на подошве волны, весу судна противодействуют лишь небольшие выталкивающие силы. Поэтому в районе середины судна возникают особенно большие изгибающие моменты, которые в палубах вызывают растягивающие напряжения, а в днище - сжимающие. Если вершины волн находятся под оконечностями судна (судно на подошве волны), то в средней части судна вес преобладает над выталкивающей силой, в то время как в оконечностях силе веса противодействует большая выталкивающая сила. Вследствие этого в районе середины судна возникают изгибающие моменты, которые в верхних палубах вызывают напряжения сжатия, а в днище - напряжения растяжения.

При проектировании судна изгибающие моменты, возникающие при волнении на море, рассчитывают предварительно для различных вариантов нагрузки и принимают для корпуса судна такие размерения, чтобы он воспринимал изгибающие моменты, не ломаясь. Судно должно прогибаться не более чем на 1/500 часть своей длины, т. е. для судна длиной 150 м максимальный допустимый прогиб составляет 30 см. Поперечная нагрузка судна возникает вследствие гидростатического давления, которое действует на бортовую наружную обшивку в горизонтальном, а на днище - в вертикальном направлении. Эти давления зависят от осадки, качки (килевой и бортовой) и волнения. Листы и связи корпуса судна испытывают в первую очередь нагрузку на изгиб. Наряду с этими нагрузками, вызванными давлением воды, при передвижении во льдах, особенно в полярных областях, возникают большие давления на бортовую наружную обшивку, которые воспринимаются особо усиленными листами наружной обшивки и конструктивными связями. Изнутри на набор судна воздействует вес груза, машинных установок, оборудования и оснащения, а также собственный вес. Отчасти эти силы (веса) противодействуют гидростатическому давлению; так, например, вес груза на днище судна или массовые и наливные грузы действуют своим давлением на наружную обшивку непосредственно против гидростатической выталкивающей силы или бокового давления. В свою очередь, вес грузов на палубах действует не только на подпалубные связи, но и на бортовой набор судна. Чтобы избежать избыточных нагрузок на связи, в планах размещения грузов, которые дают верфи, указываются также допустимые нагрузки на днище и палубы в кПа.

Скручивающая нагрузка на судно при косом курсе относительно волн

Скручивающая нагрузка возникает главным образом, вследствие перераспределения выталкивающей силы на волнении, идущем на судно под углом с носа или с кормы; при этом оно испытывает нагрузку на кручение (скручивание). Как можно видеть на рисунке выше, у оконечностей судна, входящих в гребни волн, увеличенная выталкивающая сила действует как в кормовой, так и в носовой оконечностях, причем на противоположных бортах. Поэтому наряду с изгибающими моментами возникают также крутящие моменты, которые достигают максимума в средней части судна. Наряду с этими крутящими моментами, вызванными распределением выталкивающей силы, снаружи на корпус судна действуют и другие, впрочем, значительно меньшие, вращающие моменты. Они возникают вследствие бортовых гидростатических давлений. Так как глубины погружения по бортам судна различны, вращающие моменты, вызванные бортовыми давлениями, в средней части судна также являются наибольшими. Изнутри вследствие неравномерного распределения груза по ширине и по длине судна могут возникнуть дополнительные крутящие моменты которые накладываются на действующие снаружи моменты, не вызывая наклонения судна.

Скручивающая нагрузка при неравномерном распределении груза по ширине и длине судна

Крутящие моменты создают в судовых конструктивных связях напряжения сдвига (напряжения кручения), а в палубном настиле рядом с люками и между ними  дополнительные напряжения на растяжение, сжатие и изгиб. Значительны крутящие моменты у крупных судов с большей шириной люков и у судов с большим «раскрытием» палубы, таких как контейнерные суда. Здесь скручивание судна очень важно учитывать при укладке контейнеров плотными штабелями, которые во время погрузки и разгрузки, а также при движении судна не должны заклиниваться.

Наряду с продольными, поперечными и крутящими нагрузками вследствие распределения веса и выталкивающей силы, а также вследствие бортовых гидростатических давлений возникают еще нагрузки из-за качки судна, особенно килевой. При этих колебаниях вокруг поперечной оси действуют как силы инерции массы, так и гидродинамические силы.

Силы инерции массы в мертвых точках при килевой качке (конец амплитуды качки) являются наибольшими и возрастают линейно от центра вращения по направлению к оконечностям. Тот факт, что силы инерции массы в оконечностях судна все же уменьшаются, можно объяснить распределением масс: небольшие поперечные сечения корпуса судна обусловливают меньшее количество груза. Чтобы компенсировать силы инерции массы в оконечностях судна, при проектировании подпалубных связей нагрузки на палубу принимаются на 10—20% больше.

Силы инерции масс при килевой и бортовой качке: а - тангенциальное (касательное) ускорение в мертвой точке килевой качки; b - тангенциальные силы при погружении и всплытии (мертвые точки); с - силы при бортовой качке. 1 - всплывшая оконечность судна; 2 - погрузившаяся оконечность судна; 3 - силы инерции масс при всплытии; 4 - силы инерции масс при погружении; G - масса главного двигателя; МC - метацентр-точка вращения при бортовой качке; Pn - центробежная сила при проходе через вертикаль; Pt - тангенциальная сила в мертвой точке при бортовой качке; ВЛ - метацентр тяжести площади действующей ватерлинии - точка вращения при килевой качке; Ө - наибольший угол крена при бортовой качке; Ψ - наибольший угол дифферента при килевой качке.

Гидродинамические силы возникают вследствие сопротивления воды при килевой качке судна. Так как они зависят от скорости, то увеличиваются по направлению к оконечностям судна. Особенно велики эти силы при плоских днищах в передней оконечности. У порожних судов, т. е. в балластном рейсе при небольшой осадке, оконечности судна при килевой качке могут выходить из воды, а при обратных колебаниях ударяться о ее поверхность. Из этих соображений плоские днища в передней оконечности значительно усиливают. В кормовой оконечности благодаря острым формам V- и U-образных шпангоутов усиления обычно не нужны, это касается также острой клинообразной области форштевня. Изгибающие напряжения, вызываемые килевой качкой, в средней части судна относительно невелики, и при конструктивном расчете поперечного сечения корпуса их обычно не учитывают. Бортовая качка вокруг продольной оси для нагрузки на корпус судна имеет второстепенное значение, так как ширина судна значительно меньше, чем его длина; это относится также к возникающему в данном случае ускорению. Силы инерции массы при бортовой качке учитываются только для фундаментов машин, расположенных далеко от оси вращения (продольной оси).

Гидродинамические силы, возникающие при килевой качке: а - тангенциальная скорость при проходе через положение равновесия, b - гидродинамическое давление на днище судна, 1 - всплытие, 2 - погружение, Ψ - наибольший угол дифферента при килевой качке, ВЛ - центр тяжести площади действующей ватерлинии - точка вращения при килевой качке.

Наряду с названными выше нагрузками на корпус судна действуют изгибающие нагрузки уже при спуске со стапеля. При ремонте в доке давление на кильблоки (опоры) вызывает существенные нагрузки на поперечные связи корпуса судна. Эти нагрузки учитываются уже при проектировании судов. Столкновение двух судов или соприкосновение идущего судна с морским дном создает нагрузки, которые приводят обычно к большему или меньшему повреждению корпуса судна, а иногда и к его гибели.