8. Контроль общей продольной прочности судна по перерезывающим силам и изгибающим моментам.

С точки зрения строительной механики корпус судна представляет собой составную балку переменного по длине сечения, уравновешивающую на себе, действующие на нее силы. Корпус судна должен обладать достаточной общей продольной и поперечной прочностью, а отдельные его части должны безопасно выдерживать действующие на них местные усилия.

Силы, действующие на корпус на тихой воде, состоят из сил веса самого корпуса, механизмов, устройств, всех грузов и запасов, находящихся на судне, а также гидростатических давлений забортной воды. При плавании в море на волнении дополнительно действуют силы инерции всех масс при качке и гидродинамические силы волнения.

Практически расчет общей прочности состоит в следующем: строят ступенчатую кривую сил веса (рис. 8.1.а) считая, что на протяжении каждой из 20-ти теоретических шпаций интенсивность сил веса постоянна, поэтому кривая веса имеет ступенчатый характер и площадь прямоугольника на каждой шпации дает вес всего, что находится на судне в пределах этой шпации.

Рисунок 8.1 – Эпюры сил веса (а), сил плавучести (б), нагрузки (в), перерезывающих сил (г) и изгибающих моментов (д).

Кривая сил поддержания задается строевой по шпангоутам, но эта зависимость также заменяется ступенчатой кривой, равновеликой по площади строевой на каждой шпации (рис. 8.1.б).

Разность кривой сил веса и сил поддержания дает кривую нагрузки (рис. 8.1.в). Далее, как известно из курса сопротивления материалов, интегральная кривая от нагрузки дает кривую перерезывающих сил (рис. 8.1.г), а следующая интегральная кривая дает кривую изгибающих моментов (рис. 8.1.д). Эта кривая дает величину и положение наибольшего изгибающего момента, действующего на корпус при рассматриваемом состоянии нагрузки. При плавании на волнении в зависимости от положения судна на волне изменяется кривая сил поддержания, а значит, изменяются и кривые перерезывающих сил и изгибающих моментов. В качестве иллюстрации (на рис. 8.2) приведен пример изменения указанных величин для различных положений судна на волне.

Рисунок 8.2 – Изгибающие моменты и перерезывающие силы при различных положениях судна относительно волны:

а) – последовательность положений судна; б) – вес; в) – силы поддержания; г) – перерезывающие силы; д) – изгибающие моменты.

Напряжения от изгиба найдутся делением изгибающего момента на момент сопротивления сечения корпуса W, который рассчитывается с включением в сечение всех продольных связей корпуса, участвующих в общем изгибе, т.е.связей, простирающихся по всей длине судна или на значительной ее части (рис. 8.3).

, (8.1)

Такой расчет называется расчетом элементов эквивалентного бруса, т.е. бруса, по прочности эквивалентного сечению корпуса судна.

Зная изгибающий момент и рассчитав момент сопротивления сечения, можно найти напряжения в наиболее нагруженных связях и, наоборот, исходя из допустимых напряжений, можно найти наибольший изгибающий момент, допустимый из условия прочности корпуса. Если из допустимого момента вычесть изгибающие моменты от всех дополнительных сил, происходящих от плавания на волнении, а также от сил поддержания и веса судна порожнем, получим допустимый изгибающий момент от сил дедвейта, который судоводитель может регулировать, меняя распределение дедвейта по помещениям.

Рисунок 8.3 – Расчетное сечение и эквивалентный брус.

На этом основана диаграмма контроля общей прочности, входящая в судовую документацию.

Кроме рассмотренных изгибающих моментов в вертикальной продольной плоскости, при плавании косым курсом на волнении появляются изгибающий момент в горизонтальной плоскости и крутящий момент в вертикальных поперечных плоскостях. Эти моменты достигают наибольшей величины при курсовом угле волнения около 60° и длине волны, равной длине судна. Дополнительный крутящий момент появляется при несимметричной загрузке относительно ДП на различных участках по длине судна. Такие моменты особенно опасны для судов с большим раскрытием палубы, в частности для контейнеровозов. Учет напряжений, вызванных горизонтальным изгибающим и крутящим моментами, заложен в той части Правил, которые относятся к судам указанных типов и требуемая прочность корпуса для типовых случаев загрузки обеспечивается при проектировании, а в процессе эксплуатации контролируется расчетами по специальной программе на судовом компьютере.

Сложнее контролируется общая продольная прочность корпусов крупнотоннажных судов длиной ориентировочно более 180 м. У таких судов, имеющих большую длину особенно велика опасность нарушения общей продольной прочности корпуса из-за нерационального размещения грузов. Известны случаи, когда при неправильной загрузке корпус судна разламывался на две части даже при стоянке у причала на тихой воде. Многочисленны случаи появления трещин и остаточных деформаций. При планировании загрузки и особенно проведения грузовых операций контролю и обеспечению общей прочности крупнотоннажных судов должно уделяться самое серьезное внимание.

В качестве иллюстрации (на рис. 8.4) показано влияние способа загрузки трюмов на кривые изгибающих моментов и перерезывающих сил для навалочного судна дедвейтом 50 тыс.т., и длиной 223 м.

Условия прочности корпуса на этих судах могут нарушаться не только по изгибающим моментам, но и по перерезывающим силам.

Рисунок 8.4 – Влияние способа загрузки трюмов на кривые изгибающих моментов и перерезывающих сил для навалочного судна дедвейтом 50 тыс.т:

а) – все трюмы загружены, длина трюмов одинакова; б) – загружены трюмы 1, 3, 5, 7, длина всех трюмов одинакова; в) – загруженные трюмы 1, 3, 5, 7 короче пустых; г) – загруженные трюмы 1, 3, 5, 7, 9 короче пустых.

____ касательные напряжения, соответствующие перерезывающим силам, кг/см²;

_ _ _ нормальные напряжения, соответствующие изгибающим моментам, кг/см²;

Кроме того, эпюра изгибающих моментов может иметь несколько экстремумов, значительно смещенных от миделя. Поэтому на крупнотоннажных судах общая прочность контролируется по перерезывающим силам и изгибающим моментам в нескольких поперечных сечениях по длине корпуса. Обычно контролируемые сечения назначают в плоскостях поперечных переборок.

Условия обеспечения прочности для j-го контролируемого сечения записывают в виде неравенств:

(8.2)

(8.3)

Таким образом, для каждого из выбранных сечений необходимо по принятому грузовому плану рассчитать перерезывающую силу и изгибающий момент и сравнить их с допустимыми значениями.

Приложение А.

	РАСЧЕТЫ ОСТОЙЧИВОСТИ СУДНА (т/х"Славянск)
	Возвышение ЦТ исправленное zg, м																						неисправленное z0g, м
	Метацентрическая высота исправленная h, м																						неисправленная h0, м
	Расчет плеч статической и динамической остойчивости
	Расчетные				У г л ы к р е н а, °
	величины				0			10		20						30				40						50		60					70
	l, м (по УДСО)
	lф, м (с пантокарен)
	lв = zg sin, м
	l = lф - lв, м
	интl, м
	d=0,0873 интl, м рад
	По результатам расчета построить диаграммы остойчивости для углов от -30° до 70°
	Расчет критериев остойчивости и их проверка
	Av, м2 (из Информации)						zvc = zv + T/2, м																		общие требования
	zv, м (из Информации)						lw1=0,504Av zvc/(gD),м																		K				 1
	pv, Па (по Правилам)						lw2 = 1,5 lw1, м																		lmax				 0.2
	Mv=0,001pv Av zv,кНм						d=arctg(2(H-T)/B),°																		m				 30
	h0/B =						r = 0,73 + 0,6 (zg-T) / T																		v				60
	Y, ° (по Правилам)						c=a0+a1 B/T-a2 L/100														a0 = 0,373				h				>0
	B/T =						T = 2 c B / h0, с														a1 = 0,023				дополнительные требования
	X1 (по Правилам)						S (по Правилам)														a2 = 0,043				K*				1
	 (по кривым)						r=109 k X1 X2 r S, °																		альтернативные требования
	X2 (по Правилам)						0, ° (по ДСО)														для lw1				KIMO				1
	Aк/(L B), %						1, ° (по ДСО)														для lw2				0				 15 *
	k (по Правилам)						2 = r - 0, °																		l30				0.2
	r = k X1 X2 Y, °						d1, м рад (по ДДО)														для 1				m				25
	lc, м (по ДСО или ДДО)						d2, м рад (по ДДО)														для 2				v				50
	Mc = g D lc, кНм						d50, м рад (по ДДО)														для 50º				A30				0.055
	K = Mc / Mv						a, м рад																		A40				0.09
	(h0 / 3V) (B / zg)						b, м рад																		A30-40				0.03
	m0 (по Правилам)						KIMO = b / a																		h				0.15
	m = m0 / h0						a = d2 - d1 + lw2 (1+2) / 57,3																		* или 0,8 d
	aрасч=1,1 10-3 B m2 r						b = d50 - d1 - lw2 (50-1) / 57,3														подпись				дата					Фамилия И.О.
	K* = 0,3 / aрасч											Выполнил:
												Проверил:

П Р О Ч Н О С Т Ь

Осадка на миделе Тср = м								Расчетный дифферент dр = 1,08· d = 1,08 · = м
Расчетное сечение		Наименование	Коэф-фициент	Масса, т	III·IV	Сумма V сверху	Табл-ная сила, Nт,т	Перерезывающая сила, т		Плечо от миделя Хгр, м	Мо-мент V·X, тм	Сумма IX сверху, тм	I·VI, тм	Табл-ный мо-мент Мит	Изг.мо-мент Мир= XIII-XII-XIV
шп.	Х, м							Расчетная Np = VI+VII	Допусти-мая Nд
-	I	II	III	IV	V	VI	VII	VIII	IX	X	XI	XII	XIII	XIV	XV
197	74,15	Форпик	1,0						3200	78,29
164	51,69	Трюм №1	1,0						2570	62,19
		Верхние танки №1 ПиЛБ	1,0							60,48
		МЖД №1 ПиЛБ	1,0							61,70
130	23,45	Трюм №2	1,0						2830	38,00
		Верхние танки №2 ПиЛБ	0,6							37,55
		МЖД №2 ПиЛБ, балласт	0,57							37,17
		МЖД №2 ПиЛБ, топливо	0,603							37,58
108	4,75	Трюм №3 /диптанк/	1,0						3270	14,45
		Верхние танки №2 ПиЛБ	0,4							14,09
		МЖД №2 ПиЛБ, балласт	0,43							13,95
		МЖД №2 ПиЛБ, топливо	0,397							14,10
74	-24,15	Трюм №4	1,0						2720	-9,38
		Верхние танки №3 ПиЛБ	1,0							-9,74
		МЖД №3 ПиЛБ, балласт	0,466							-9,90
		МЖД №3 ПиЛБ, топливо	0,624							-8,70
40	-53,05	Трюм №5	1,0						2040	-38,15
		Верхние танки №4 ПиЛБ	1,0							-38,56
		МЖД №3 ПиЛБ, балласт	0,505							-38,78
		МЖД №3 ПиЛБ, топливо	0,364							-36,88
Максимальный допускаемый изгибающий момент Мид = 52200 тм

Приложение Б.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ и НАУКИ УКРАИНЫ