Конструкция двойного дна в районе скулы в судовом корпусе

Конструкция двойного дна в корпусе судна проектируется особым способом, чтобы уменьшить вероятность разлива жидких грузов во время транспортировки при повреждениях наружной обшивки.

В нормативных документах до сих пор рекомендуются сложные узлы соединений, изготовление которых вызывает трудности. В качестве примера можно привести соединения перекрытий в районах скуловых образований с использованием наклонного крайнего междудонного листа или скулового стрингера (рис. 1). Подобная конструкция, по-прежнему рекомендуемая Правилами и учебниками по конструкции корпуса, на первых целиком сварных судах была заменена полностью плоским настилом второго дна и отлично себя зарекомендовала в эксплуатации. Поэтому в Правилах Регистра рисунки конструкций двойного дна у бортов должны быть изменены и рекомендации тоже.

Существует ошибочное мнение, что наклонный крайний междудонный лист образует у борта льяла, которые нужны для сбора воды, скапливающейся в результате отпотевания, скатывающегося дождя. Вода, скапливающаяся на втором дне, стекает к кормовым переборкам трюмов, где устанавливаются сборные колодцы. Этому способствует обычный во время эксплуатации небольшой дифферент судов на корму. В то же время листы настила второго дна закрываются по всей площади трюмов сплошным деревянным настилом (пайолы), лежащим на брусьях. Вода под пайолами стекает к кормовым поперечным переборкам (рис. 2).

Наклонные щиты пайол у борта опираются на кромки скуловых книц с фестонами и плотно закрывают отверстия для прохода шпангоутов. Все доски пайол плотно пригоняются, и вода протекает только через их неплотности на поверхность листов второго дна. Если бы льяла были открыты, то они сразу же засорились бы остатками грузов. Сточные же колодцы на уровне пайол закрываются сетками и покрываются несколькими слоями мешковины.

Вода, поступившая через поврежденные закрытия трюмов, загруженных зерном, например, на аварийном п/х «Генерал Панфилов», поддавалась откачке из сборных колодцев, соответствующим образом подготовленных для сбора воды.

Учитывая изложенные здесь соображения, целесообразно настил второго дна делать горизонтальным (рис. 3), упрощая конструкцию соединения больших перекрытий разных направлений (рис. 4).

При этом особое внимание необходимо уделять герметизации прохода шпангоутов через настил второго дна и присоединению их под последними бракетами к наружной обшивке скулы вместо установки скуловых книц поверх настила второго дна. Есть еще один вариант: обычные скуловые кницы устанавливать по концам шпангоутов, а листы настила поднимать по кромкам книц до борта. Получится конструкция, как на рудовозах — хоппер (рис. 5).

Вместо никому не нужных льял увеличатся объемы в двойном дне. В пространстве же между скуловыми кницами при наклонном крайнем междудонном листе нет необходимости, а если закрыть это пространство поднимающимися по кницам к крайним лис­там настила, то увеличится объем двойного дна (см. рис. 5). Подобное решение, безусловно, целесообразно применять на всех су­дах, имеющих скуловые кницы, возвышающиеся над двойным дном. Это позволит дополнительно перекрыть скуловые части днища с целью большей безопасности при повреждениях в этих районах. Это обстоятельство имеет особое значение для оконечностей судов, имеющих острые образования (см. рис. 3).

Кничные узлы в виде скуловых книц и бракет шпангоутов требуют к себе особого внимания с целью уменьшения высоких местных напряжений. С этой точки зрения конструкции, предлагаемые вместо наклонного крайнего междудонного листа, имеют определенные преимущества — их легче изготовлять, а также очищать и окрашивать. Льяла у крайнего междудонного листа подвергаются особенно быстрой коррозии из-за сложности ухода за ними во время эксплуатации, что подтверждает опыт. У клепаных судов в льялах часто нарушалась плотность клепаных швов у книц и появилась течь из двойного дна в грузовые трюмы, а у сварных возникли трещины. Вследствие этого в конструкцию ввели фестоны (рис. 6).

На навалочниках давно используются наклепанные вверх по кницам образования двойного дна, в результате сыпучие грузы ссыпают под просвет люков для выгрузки грейферами.

При проектировании узлов с кницами возникают сложности, т. е. расчетные методики определения напряжений базируются на ряде допущений, вследствие чего расчетные напряжения могут отличаться от фактических. Об этом свидетельствуют повреждения сложных кничных соединений.

С целью увеличения прочности и жесткости кничных соединений в районе скулы, как уже было сказано, часто используется продолжение в виде фестонов — фигурных языков листов настила двойного дна по верхней кромке скуловых книц. Это увеличивает надежность работы подобных соединений, однако значительно усложняет конструкцию и особенно доступность при осмотре, ремонте и окраске.

Читайте также: Восприятие корпусными конструкциями внешних нагрузок, действующих на судно

Таким образом, совершенно очевидно, что во всех случаях от устройства крайнего междудонного листа, рекомендуемого Правилами, целесообразно отказаться. Это касается также прерывистых связей и надпалубных конструкций, о чем будет сказано позже.

Раньше крайний междудонный лист называли скуловым стрингером. Иногда он устраивался и как обычный стрингер параллельно ДП (рис. 7). Однако это значения не имело, так как изогнутая скула и без крайнего междудонного листа в форме желоба обладает повышенной прочностью и жесткостью.

Горизонтальный настил второго дна во время войны вопреки существовавшей практике с целью упрощения конструкции ставили на сварных судах «Либерти». Он полностью перекрывал скуловые образования бортов. Для сбора воды у кормовых поперечных переборок трюмов устанавливали сточные ящики – колодцы.

В последнее время на новых сухогрузных судах можно встретить вместо поперечных скуловых книц продольные, которые не мешают располагать грузы в трюме на настиле второго дна (рис. 8).

На контейнеровозах с двойными бортами верхнюю часть скулы в кормовых и носовых трюмах с острыми обводами с целью выравнивания помещений для размещения контейнеров перекрывают вторыми бортами и делают возвышающийся уступ (рис. 9).

На пассажирских и круизных судах с целью уменьшения качки на волнении устанавливают в выгородках специальные устройства — выдвигающиеся периодически из корпуса крылья. Выгородки могут служить одновременно и диптанками для балласта (рис. 10).

На двухкорпусных судах наклонную часть борта в районе скулы доводят до первого бортового стрингера (рис.11).

Наиболее сложные конструкции в днище располагаются в районе трапецеидальных опор, идущих от борта до борта и служащих опорами для поперечных плоских и гофрированных переборок навалочников (рис. 12, 13) и переборок танкеров (рис. 14). Необходимо заметить, что особые трудности возникают в конструкциях соединения опор в районе скуловых образований и в местах пересечения с продольными гофрированными переборками.

Опорные конструкции на днищевых перекрытиях в виде трапецеидальных конструкций для поперечных переборок вопреки ожиданиям часто повреждались на новых балкерах. Вызывало удивление, что повреждения появлялись значительно чаще в носовой и кормовой оконечностях, чем на миделе. На трех российских навалочниках польской постройки наблюдалась одинаковая картина повреждений в одних и тех же сложных узлах, являвшихся источником повышенной концентрации напряжений, на что обратил внимание проф. Максимаджи в нескольких своих выступлениях. Наиболее значительные повреждения возникали примерно на расстоянии четверти длины судна от оконечностей. Значительные повреждения отмечались и в конструкциях палубы у углов люковых вырезов.

Дело в том, что суда большой длины чаще встречаются с относительно короткими волнами (менее половины длины судна), чем с волнами длиной, близкой к длине судна. Вследствие этого эпюры волновых изгибающих моментов имеют два «горба». Вершины их приходятся на районы описанных массовых повреждений в результате частого одновременного возникновения в одних поперечных сечениях корпуса больших нормальных и касательных напряжений.

Это и становится причиной исчерпания усталостной прочности в узлах с повышенными напряжениями не на миделе, а в оконечностях. Эти напряжения по величине, по-видимому, значительно больше, чем на миделе при плавании судов на длинных волнах. Учитывая изложенные выше соображения, целесообразно рассмотреть вопрос об уточнении принятых в современной практике методов оценки общей продольной прочности корпусов судов.

Выбор системы набора

Целью при выборе системы набора днищевых перекрытий является получение минимальной массы конструкций при необходимой прочности для судна данного конструктивного типа. В зависимости от назначения судна и грузов, которые оно должно перевозить, а также условий плавания днищевые перекрытия подвергаются воздействию разных по характеру усилий в их плоскости и в перпендикулярном направлении. В результате конструкции днища могут существенно отличаться друг от друга. Сложность конструкций судов разных назначений и разнообразные требования, предъявляемые к ним, создают определенные трудности для конструкторов.

Это связано с участием в проектировании не только судостроительного бюро, но и смежных организаций, разрабатывающих механические установки и устройства.

Например, к обеспечению безопасности атомных энергетических установок предъявляются дополнительные требования, как и к прочности фундаментов под мощные механизмы скоростных судов, воспринимающих многочисленные большие динамические усилия и передающих их на бортовые перекрытия и переборки.

Проектировщикам приходится решать все более сложные и трудоемкие задачи, связанные с изготовлением конструкций из новых материалов (СПП, плакированные стали), необходимостью удовлетворения экологических требований, обеспечения безопасной доставки грузов в сложных меняющихся условиях эксплуатации. Все это следует учитывать при создании любых перекрытий судового корпуса, в том числе наиболее сложных днищевых перекрытий. Недооценка технической и эксплуатационной сложности создания современного судна приводит к авариям и большим потерям. Примером может служить запоздалое появление танкеров с двойным дном, а позже — двухкорпусных, имеющих повышенную эксплуатационную надежность, но возросшую стоимость.

Днищевые конструкции должны быть доступны для обслуживания, ремонтопригодны, удобны для устранения неисправностей по управлению грузовыми операциями и балансировкой в двойном дне и диптанках.

В связи с этим следует при проектировании точно определять размеры, количество и форму отверстий в листах набора (лазы).

Как было установлено, днище должно безопасно воспринимать растягивающие и сжимающие напряжения от общего продольного изгиба σ₁, напряжения от изгиба перекрытия поперечными усилиями σ₂, от изгиба продольных балок σ₃ и от изгиба панелей, расположенных между соседними балками набора σ₄.

Обычно считается, что суда длиной более 100 м должны иметь продольную систему набора днищевых перекрытий, так как это позволяет уменьшить массу конструкций. Действительно, в принципе и на судах длиной более 100 м можно обеспечить прочность при более простой в изготовлении поперечной системе набора, однако для сохранения устойчивости пластин потребовалось бы увеличивать толщину листов и уменьшать расстояние между набором, что приведет к утяжелению корпуса.

При проектировании системы набора днищевых перекрытий необходимо учитывать, что в средней части судна при общем изгибе возникают максимальные нормальные напряжения, а опасность потери устойчивости пластинами в этой части значительно больше, чем в оконечностях. В то же время в оконечностях действуют большие местные динамические нагрузки при слеминге, при ударах в развал бортов в носовой оконечности и при оголении винта. Различие характеров нагрузок, действующих в средней части и в оконечностях, требует разного подхода к назначению системы набора днищевых перекрытий.

Читайте также: Общий продольный изгиб и общая продольная прочность корпусных конструкций судна

При выборе системы набора в средней части по длине для судов длиной более 100 м определяющим является значение сжимающих напряжений при общем продольном изгибе. Для безопасного восприятия этих сжимающих напряжений без потери днищевыми связями устойчивости приходится по тонким листам на небольшом расстоянии друг от друга устанавливать продольные ребра жесткости, составляющие продольную систему. В оконечностях напряжения от общего изгиба имеют небольшую величину, и прочность днищевых перекрытий лимитируется местными ударными нагрузками, которые надежно выдерживают элементы поперечной системы набора.

Как правило, в форпике и ахтерпике настил второго дна отсутствует, а днищевые перекрытия из-за острых образований оконечностей имеют большую килеватость, поэтому поперечная система набора как для днища, так и для бортов и палуб в оконечностях предпочтительней. Она особенно хорошо себя зарекомендовала на судах, эксплуатируемых в ледовых условиях, когда воздействуют значительные ударные нагрузки. Это обстоятельство очень важно потому, что точность расчетных приемов, используемых в настоящее время при проектировании конструкций оконечностей, невысока.

Сложные формы сечений в оконечностях (рис. 16) затрудняют использование обычных расчетных приемов строительной механики корабля.

Форма этих сечений в последние годы претерпела существенные изменения, в связи с этим значительно усложнилась конструкция перекрытий в оконечностях. Конструктивная перевязка двойного дна, заканчивающегося в первом трюме (при острых образованиях носовой оконечности), с поясками днищевых стрингеров осуществляется установкой фестонов (рис. 17). В этом случае груз в трюме размещают на диптанке, который используют для приема топлива, балласта, а иногда и жидкого груза. Настил второго дна в диптанке резко не обрывается, а продолжается в виде уширенных поясков и фестонов, идущих по продольному листовому набору. Настил диптанка по борту в соседнем трюме и в фор­пике целесообразно заканчивать широкими длинными горизонтальными кницами, переходящими в бортовые стрингеры.

Переход продольной системы набора в поперечную может осуществляться с помощью фестонов, устанавливаемых в носовом трюме по часто поставленным днищевым стрингерам, которые служат продолжением продольных ребер жесткости (см. рис. 18). При этом поставленные на каждом шпангоуте флоры вместе с дополнительными стрингерами обеспечивают местную прочность днища при ударах о воду носовой оконечности.

Если бы в конструкции, показанной на рис. 20, число днищевых стрингеров уменьшить так, чтобы поперечные размеры пластин, ограниченных набором, стали больше продольных, то система набора рассматриваемого перекрытия превратилась бы в поперечную систему, поперечные и продольные размеры пластин которой получились бы почти одинаковыми. Полученную систему набора можно отнести к системе, которую согласно принятой в настоящее время классификации называют клетчатой.

Клетчатую систему набора используют в перекрытиях, которые испытывают действие сосредоточенных динамических нагрузок или нагрузок, распределенных на незначительной площади.

К таким перекрытиям относятся:

• часть днищевого перекрытия в районе, прилежащем к форпиковой переборке, обеспечивающая достаточную местную прочность при ударах носом о воду;
• часть днищевого перекрытия под просветом люков навалочников, испытывающая нагрузки при грейферной разгрузке и сбрасывании тяжелого навалочного груза на настил второго дна при погрузке;
• днищевые перекрытия, по которым движется колесная техника и на которые эта техника через колеса передает нагрузки при качке в виде сосредоточенных усилий;
• днищевые перекрытия в машинном отделении, где действуют большие динамические усилия, вызываемые вращением отдельных масс механической установки, а также инерционные усилия от сосредоточенных масс при качке и особенно при разносе работающего главного двигателя в результате оголения винта.

Клетчатую систему набора можно выполнять на одной части перекрытия, а другую часть строить по чисто поперечной или чисто продольной системе набора. Подобная комбинация разных систем набора в одном перекрытии придает своеобразность ему и создает специфическую передачу усилий. Систему набора такого перекрытия называют комбинированной.

Иногда ошибочно клетчатую и комбинированную системы набора называют смешанными, в то время как давно принято термин «смешанная система набора» (система набора Шиманского) относить к конструкции не перекрытия, а всего судна, при которой палуба и днище в средней части судна имеют продольную систему набора, а борта — поперечную (см. рис. 4).

Будет интересно: Конструкция и расчеты днищевых перекрытий в корпусе судна

Системы набора днищевых перекрытий по длине судна могут изменяться. Однако оконечности судна почти всегда имеют поперечную систему набора. Когда для средней части судна принята продольная система перекрытий, а для оконечностей — поперечная или клетчатая, то переход от одной системы набора к другой должен осуществляться постепенно. Например, часть продольных связей продольной системы набора днищевых перекрытий в носовой и кормовой оконечностях, где принята поперечная система набора, должна перекрывать поперечный набор и заканчиваться на разном расстоянии от границы перекрытий с разными системами набора.

Часть перекрытия в носовой оконечности в результате продления части балок может превратиться в перекрытие с клетчатой или близкой к ней системой набора. На рис. 20 представлена конструкция носовой оконечности транспортного судна ледового плавания с усиленными ледовыми подкреплениями днища в носовой оконечности.

Как видно из него, продольная система днища в носовой оконечности переходит в поперечную, усиленную часто поставленными днищевыми стрингерами с целью восприятия ударов льдин, уходящих под корпус при движении транспорта за ледоколом в тяжелых льдах. Установка таких днищевых стрингеров приближает поперечную систему к клетчатой. Продольная система набора заканчивается у водонепроницаемой переборки, так как основная часть продольных ребер жесткости днища и настила второго дна доходит только до этой переборки, а дальше в нос продолжается только часть продольных ребер жесткости.

В кормовой оконечности ахтерпиковая переборка ограничивает обычно короткое и узкое днищевое перекрытие, которое только при очень широкой транцевой корме имеет плоский участок и быстро расширяется сразу в нос от ахтерпика (рис. 21).

Конструирование днищевых перекрытий в машинном отделении

У большей части транспортных морских и речных судов машинное отделение (МО) располагается в корме непосредственно в нос от ахтерпиковой переборки, занимая самую неудобную часть длины судна для размещения грузов. Такое расположение главных двигателей позволяет иметь короткий волнопривод, отделить МО от грузовых трюмов и обеспечить хорошее наблюдение за палубным грузом во время шторма.

На очень больших скоростных контейнеровозах МО часто имеет так называемое промежуточное расположение, когда за кормовой надстройкой, часть верхней палубы за которой используется для размещения контейнеров, устраивается последний (кормовой) трюм. Такое расположение объясняется необходимостью размещения мощных главных механизмов, а для этого требуется пространство достаточной ширины. То же самое имеет место на пассажирских и круизных судах с мощными двигателями.

Конструкции днищевых перекрытий воспринимают большие весовые и динамические нагрузки от работающих механизмов и вращающихся гребных винтов (рис. 22). Динамические нагрузки во время качки и оголения винтов сопровождаются вибрацией всего корпуса (рис. 23) и набора, отрицательно влияющей на здоровье экипажа. Вследствие этих нагрузок возникают усталостные напряжения.

Нагрузки от механизмов должны разноситься на большие площади корпусных перекрытий, поэтому конструкции двойного дна подкрепляют и поверх него монтируют мощные фундаменты под механизмы, имеющие собственные фундаменты, учитывая их расположение и формы.

При проектировании деталей конструкций днищевых перекрытий необходимо иметь в виду, что их деформации зависят во многом от расположения МО.

Перекрытия МО, расположенные в середине судна, испытывают наиболее неблагоприятные воздействия, когда судно в балласте находится на подошве волны (прогибы судна увеличиваются из-за уменьшения сил поддержания в средней части) и когда судно с грузом находится на вершине волны (происходит перегиб днищевого перекрытия в результате увеличения сил поддержания, действующих на средний сравнительно легкий отсек МО).

Наблюдается значительное повышение мощностей главных механизмов, связанное с увеличением размеров судов и скорости. Такое повышение мощности всегда сопровождается значительным ростом упорных давлений, передаваемых через упорный подшипник на днищевое перекрытие в виде усилия, близкого к сосредоточенному, появлением импульсных давлений от лопастей винта на кормовой свес и, кроме того, вибраций конструкций в результате действия этих давлений.

Во время плавания на волнении из-за оголения винта происходит разнос двигателя, в результате чего возникают опасные динамические нагрузки и последующая вибрация всей кормовой оконечности. При расположении главных механизмов в корме эта вибрация и мгновенные сотрясения представляют особую опасность для днищевых и других перекрытий. Динамические воздействия на перекрытия МО вызывают многочисленные трещины в различных прерывистых связях, имеющихся в этом районе.

Главные механизмы монтируют на фундаментальной раме — сложной сварной или литой конструкции (рис. 24), находящейся на фундаменте, установленном на настиле второго дна днищевого перекрытия МО. Большая масса механизмов и трудности определения усилий, передаваемых ими на бортовое и днищевое перекрытия, требуют создания своеобразных подкреплений конструкций с большими запасами прочности. Для уменьшения деформаций перекрытия в продольном и поперечном направлениях необходимо в двойном дне под механизмами располагать прочный и жесткий набор в виде вертикального или туннельного киля, днищевых стрингеров и сплошных флоров, надежно соединяемых с бортовыми перекрытиями, также усиленными в МО.

На общие перегибы днищевых перекрытий в МО влияют и деформации бортовых перекрытий. Натурные исследования и расчеты днищевого перекрытия в кормовой оконечности на танкере длиной 300 м показали, что общие прогибы всего перекрытия днища достигают 3 мм и могут отрицательно сказаться на работе главных механизмов и центровке валопровода. Уменьшения деформаций днищевых перекрытий в МО можно добиться балластировкой ахтерпика, а также топливных и балластных цистерн, расположенных здесь.

Передача инерционных усилий от двигателя на днищевое перекрытие при бортовой и килевой качке осуществляется через фундаментальную раму и фундамент, установленный на втором дне и надежно перевязанный с конструкциями двойного дна, обеспечивающими восприятие как поперечных, так и продольных усилий. Одновременно инерционные усилия воздействуют и на бортовые перекрытия, поэтому их усиливают специальными поперечными связями (распорками), идущими от главного двигателя до борта.

При поперечной системе набора усиление набора в МО предполагает установку на каждом шпангоуте сплошных флоров и дополнительного по сравнению с трюмами количества днищевых стрингеров. При продольной системе набора флоры размещают через шпангоут, а днищевые стрингеры — чаще.

Предлагается к прочтению: Материалы конструкций корпуса, активно используемые в судостроении

Согласно Правилам Регистра фундамент под фундаментную раму главного двигателя должен состоять из двух (четырех) продольных вертикальных листов (стенок) и верхних листов (опорных полос), предназначенных для крепления главных двигателей, смонтированных на этой раме. Под продольными стенками фундамента в двойном дне обычно устанавливают стрингеры. Сами же стенки подкрепляют часто поставленными вертикальными поперечными кницами, опирающимися на поперечный набор днища (см. рис. 24). В некоторых случаях продольные стенки фундамента соединяют между собой поперечными связями с кницами.

Расположение стрингеров в МО должно быть согласовано с фундаментами. Иногда под каждой фундаментной стенкой ставят по два близко расположенных стрингера. Обязательно одна из продольных балок фундамента должна находиться в одной плоскости с днищевым стрингером. При этом вдоль второй продольной фундаментной балки на части длины МО должен быть установлен дополнительный стрингер. Необходимо так размещать днищевые стрингеры и продольные балки фундамента по днищевым перекрытиям, чтобы они были в одной продольной вертикальной плоскости. Иногда вместо дополнительных стрингеров допускается установка полустрингеров (висящих стрингеров), приваренных только к настилу второго дна и к флорам.

С целью упрощения перевязки продольных стенок машинного фундамента МО и днищевых стрингеров, расположенных под ним, целесообразно применять продольную стрингерную систему набора с флорами, устанавливаемыми через две шпации, т. е. через один бортовой шпангоут. При поперечной и продольной системах набора в МО необходимо устанавливать дополнительные днищевые стрингеры. В этом случае система набора будет приближаться к стрингерной, а при большом числе флоров она становится близкой к клетчатой (рис. 25). Такая конструкция позволяет успешно воспринимать многочисленные разнохарактерные нагрузки, действующие в МО.

Набор в МО по сравнению с другими районами по длине судна утолщают, а все флоры при поперечной системе выполняют сплошными. Установка открытых флоров не допускается.

На некоторых судах в двойном дне делается углубление под картер двигателя, однако размеры его Правилами Регистра ограничиваются. Во втором дне многих судов устраивают поддон для стока междудонных вод (рис. 26).

Днищевые перекрытия в средней части судна по длине

Конструктивное исполнение днищевых перекрытий в средней части судна зависит от его типа. На рис. 27 показан мидель-шпангоут супертанкера с двойным дном и двумя продольными переборками, разделяющими днище по ширине на три отдельных перекрытия. В МО этого супертанкера продольные переборки заканчиваются в виде высоких переходных книц за поперечной переборкой.

На рис. 28 показан блок супертанкера без двойного дна с двумя продольными переборками и перекрытиями по ширине судна. Если конструкцию днища этого танкера сравнить с конструкцией днища танкера с двойным дном (см. рис. 27), то можно видеть, что по днищевому набору последнего наливного судна в отличие от супертанкера сделан настил второго дна. В МО по днищу вместо продольных переборок поставлены дополнительные мощные стрингеры. Все остальные конструкции не имеют существенных отличий от обычных.

Супертанкеры типа «Крым» (см. статью Корпус судна и предъявляемые к нему требования“Требования к корпусу судна”) имеют двойное дно, а крупные танкеры типа «Победа» еще и двойные борта, которые в МО отсутствуют.

Масса танкеров с двойным дном и двойными бортами несколько больше, чем масса танкеров без них. Наличие на танкерах второго дна влияет на распределение площади продольных связей по поперечному сечению. Площадь нижнего пояска эквивалентного бруса увеличивается, нейтральная ось всего бруса опускается, что приводит к увеличению требуемого момента сопротивления верхнего пояска этого бруса. Так как танки междудонного пространства груженых танкеров с двойным дном остаются пустыми, пластины и продольные ребра днищевых перекрытий несут существенно большую нагрузку, чем пластины и продольные ребра днища у танкеров без двойного дна.

Конструкции перевязки двойного дна с двойным бортом могут выполнять так, что второй борт будет доводиться до днища, а двойное дно в междубортном пространстве заканчиваться в виде фестонов (рис. 29, а). Иногда второе дно доводят до борта, а второй борт заканчивают в двойном дне в виде фестонов (рис. 29, б). На крупных судах двойное дно и двойной борт тянутся до листов наружной обшивки, однако в настиле двойного дна в двойных бортах делают вырезы, бортовую цистерну заканчивают у скулы, а цистерну второго дна — у днищевого стрингера под вторым бортом (рис. 29, в).

На навалочниках и нефтенавалочниках с двойными бортами настил второго дна у бортов наклонно поднимается вверх, а днищевые стрингеры располагаются под началом скоса. Стрингеры и флоры на этих судах поставлены чаще, чем на сухогрузных судах.

Последние исследования выявили наличие высокой опасной концентрации поперечных напряжений в местах пересечения наклонных бракет двойных бортов с листами второго дна, наблюдаемой при изменении загрузки танков. Бюро Норске Веритас на основе подробных исследований разработало рекомендации по уменьшению местных напряжений за счет установки книц и вварных листов. В этом случае концентрация напряжений уменьшилась с α = 7 до α = 1,5.

На судах разного назначения в трюмах устанавливают диптанки, заменяющие двойное дно. Иногда их делают в дополнение к двойному дну, в результате чего образуются добавочные объемы для воды или горючего. Верхняя платформа (палуба) диптанка не должна по длине резко обрываться, ее листы за поперечными переборками в обе стороны диптанка должны заканчиваться фестонами, для приварки которых набор палубы диптанка продлевается на некоторое расстояние за поперечные переборки. В диптанке, изображенном на рис. 30, у поперечной переборки во избежание смешения разных грузов (например, воды и нефти) сделан вертикальный коффердам — узкий, непроницаемый, обычно пустой отсек, разделяющий соседние помещения. Для большей безопасности при перевозке взрывоопасных грузов коффердамы заливают водой.

Перекрытие, показанное на рис. 27, как и большинство рассмотренных выше днищевых перекрытий, характерно для крупных судов, составляющих основную часть океанского флота. Для судов прибрежного (каботажного) плавания, длиной в основном менее 100 м, характерна поперечная система набора всех перекрытий днища, палубы и бортов.

При поперечной системе набора в днищевых перекрытиях допускается иметь флоры разной конструкции. Правила Регистра рекомендуют устанавливать в МО на каждом шпангоуте сплошные флоры (рис. 31), в промежутке между ними в трюме разрешается ставить открытые флоры (рис. 32, а, б). При продольной системе набора сплошные флоры могут устанавливаться на каждом третьем шпангоуте.

При поперечной системе набора сплошные флоры надо ста­вить на расстоянии четырех шпаций (через три шпангоута), но не более чем через 3,6 м. При продольной системе флоры могут устанавливаться на расстоянии 3,6 м, если используется стрингерная система набора или если имеются вертикальные распорки (рис. 32, в), соединяющие продольные ребра днища и второго дна в пролете между флорами. Если распорок нет, то это расстояние не должно превышать 3,2 м.

На рис. 31 показаны конструкции сплошного и водонепроницаемого флоров при поперечной системе набора днища, а на рис. 32 — разные конструкции открытых флоров. Открытые фло­ры могут быть бракетными (рис. 32, а-в) или облегченными (рис. 32, г).

Бракетные флоры состоят из верхних и нижних балок, соединенных между собой бракетами у вертикального киля, у основных днищевых стрингеров и у крайнего листа настила второго дна. Если в промежутке между бракетами установлены распорки (см. рис. 32, в), делящие расстояние между бракетами пополам, то моменты сопротивления верхних и нижних балок могут быть уменьшены вдвое. Облегченные флоры, как и сплошные, делают из сплошных листов с вырезами, однако размеры вырезов больше, а толщина листов флоров меньше.

На сплошных проницаемых флорах устанавливают вертикальные подкрепляющие ребра жесткости на расстоянии не более 1,5 м (см. рис. 31, а), а на облегченных — на расстоянии не более чем 2,2 м (см. рис. 32, г). На водонепроницаемых флорах вертикальные подкрепляющие ребра располагают на расстоянии 0,9 м (см. рис. 31, б).

При продольной системе набора вертикальные ребра по сплошным флорам должны устанавливаться в плоскости каждой пары продольных ребер жесткости, идущих по днищу и по второму дну (рис. 33).

Между сплошными флорами на каждом шпангоуте у борта должны помещаться бракеты, которые соединяют каждую пару (на днище и на втором дне) продольных ребер жесткости (рис. 34). Продольные ребра у поперечных водонепроницаемых переборок следует крепить попарно бракетами. Если в конструкции с продольной системой набора, изображенной на рис. 34, продольные ребра заменить попарно днищевыми стрингерами, то она станет почти такой же, как конструкция, показанная на рис. 35, в том числе будут мало отличаться и крепления у поперечных переборок. Для сравнения все части набора у конструкции с продольными ребрами показаны на рис. 35. Дополнительную массу создают только определенные незаштрихованные на рисунке участки конструкций. Однако эта дополнительная масса компенсируется уменьшением массы за счет увеличения расстояния между флорами от 3,2 до 3,6 м при стрингерной системе.

Следует иметь в виду, что стрингерная система набора проще в изготовлении, чем обычная продольная система набора, так как при стрингерной системе нет надобности делать вырезы во флорах для прохода продольных ребер, создающие опасность при эксплуатации. Кроме того, исключается технологическая операция обработки вырезов, выполняемая для избежания надрезов, и отпадает необходимость изготовления множества отдельных деталей, применяемых при обычной продольной системе набора.

Таким образом, при современной технологии на всех судах с продольной системой набора желательно применять стрингерную (русскую) систему набора взамен обычной, технологически менее рациональной продольной системы.

Проход продольных ребер жесткости днища через поперечный набор и поперечные переборки — весьма ответственный участок конструкции, служивший на первых сварных судах источником появления многочисленных трещин, распространявшихся по всему поперечному сечению корпуса. Такие трещины впервые наблюдались на сварных танкерах типа Т-2 американской постройки. Одно из таких судов — танкер «Донбасс» — во время сильного встречного волнения в 1946 г. переломилось, однако обе половины корпуса остались на плаву и можно было видеть, что поперечная трещина проходит по районам расположения вырезов в поперечном наборе для прохода продольных балок.

Многочисленные исследования, которые проводились многими учеными у нас и за рубежом, позволили найти удовлетворительные конструктивные решения этих узлов, однако и в настоящее время трещины в районах отверстий во флорах все еще возникают. Это обстоятельство также свидетельствует в пользу замены обычной продольной системы набора днищевых перекрытий со сложными узлами стрингерной системой.

Однако избежать проходов ребер жесткости через высокие листовые связи и при стрингерной системе полностью не удается, так как при любой системе перекрытий (не только днищевых) балки набора меньшей высоты пропускают через вырезы, выполняемые в рамных связях большей высоты.

Пересекающиеся связи крепятся между собой, образуя непроницаемые или проницаемые соединения. Непроницаемые соединения применяют при проходе продольных ребер через водо- и нефтенепроницаемые поперечные и продольные переборки.

Рекомендуется к прочтению: Методы выбора размеров и формы судовых корпусных конструкций

В местах пересечения балок разных направлений у отверстий действуют опорные реакции, которые передаются балками большей высоты от балок меньшего размера в районе вырезов для прохода балок. Отверстия для прохода ребер выполняют на газорезательных автоматах плазменной резкой или, реже, штамповкой. Кромки вырезов обязательно должны быть гладкими, лишенными местных концентратов в виде различных надрезов.

Обычно появление повреждений в местах пересечения связей разных направлений обусловлено действием больших местных на­грузок от ударов волн и льда, а также нагрузок при швартовках на волнении. Например, у основания вертикальных ребер, под­крепляющих стенки рамного набора в местах прохода продольных ребер, возникают трещины.

Основными силами, создающими зоны повышенных напряжений у отверстия для прохода ребер жесткости, являются действующие на вертикальные ребра жесткости перерезывающие силы N и реакции R, вызванные переменными во времени внешними усилиями (рис. 36).

Возможны различные сочетания деформаций кромок вырезов (рис. 37). Для уменьшения опасности повреждений в местах вырезов устанавливают заделки, которые изменяют деформации кромок этих вырезов

На рис. 38 показаны эпюры распределения напряжений по кромкам выреза, возникающие при действии различных усилий. В последние годы экспериментально были определены эффективные коэффициенты концентрации для многочисленных вариантов узлов пересечения балок набора с целью нахождения наиболее надежных конструкций.

На кафедре конструкции судов ДВПИ разработан приближенный метод определения напряжений на кромках вырезов сложной формы и разработаны графики, которые могут оказать существенную помощь при выборе оптимальных форм вырезов и конструкций в районе пересечения балок набора.

Правила конструирования 1983 г. рекомендуют делать планки и заделки, подкрепляющие вырезы, прямоугольными. Обычно они накрывают основной лист с вырезом (рис. 39, а, б), поскольку при установке планок встык (рис. 40) возникают технологические сложности, вследствие чего возможны непровары. Непроницаемые заделки на непроницаемых переборках или флорах целесообразно выполнять внакрой для упрощения работ.

Фигурные вырезы, фигурные планки и заделки, в разное время рекомендовавшиеся Правилами Английского и Германского Ллойдов, не оправдали себя и не получили распространения из-за сложности конструкции, которая не повышает надежности рассматриваемых узлов.

Приваривать заделку и планку необходимо очень тщательно, так как через них на стенку рамы подается основная часть нагрузки. Рабочая площадь шва соединений лимитируется.

Форма и размеры непроницаемых заделок должны быть такими, чтобы они могли перекрывать вырез, обеспечивая прочно-плотное соединение. Обычно непроницаемые заделки состоят из двух частей. При установке их надвигают сбоку по стенке рамы (флора) с двух сторон ребра до встречи, после чего обе части сваривают между собой, обваривают по контуру и приваривают к раме (рис. 39, в).

Проходы через рамные листовые конструкции делают одинаковыми как для продольных, так и для поперечных балок. В основном используют четыре варианта выполнения конструкций узлов проницаемых проходов (рис. 41).

Надежную передачу усилий от балок, проходящих через вырезы, на рамные конструкции обеспечивают рекомендованные выше узлы, однако для улучшения условий этой передачи целесообразно устанавливать вертикальные ребра с двух сторон от выреза по стенке рамной связи (например, по стенке флора).

Днищевые перекрытия в носовой оконечности имеют переменную по длине судна килеватость и испытывают особые динамические нагрузки.

На судах ледового плавания делают особые ледокольные образования в районе форштевня, поскольку во время плавания во льдах вплотную за ледоколом носовая часть днища испытывает удары льдин, уходящих с потоком воды от винтов ледоколов под корпус ведомого судна. Суда, плавающие в районах, свободных от тяжелых льдов, имеют более полные (бульбовые) образования носа, переходящие в плоское днище в первом трюме от форпика.

Усилия, действующие в условиях сильного волнения на днище в носу, носят местный характер. После каждого удара возникают затухающие колебания всего корпуса.

Плавание на волнении всегда сопровождается значительным снижением скорости, причем у порожнего судна это снижение значительно больше, чем у судна с полным грузом. При плавании судна в груженом состоянии на волнении интенсивность ударов в днище меньше, а нагрузка в основном действует на скуловые образования и развал борта. С увеличением осадки носом груженого судна значительно возрастают удары в развал борта и возникает заливаемость — попадание на палубу воды, которая при ходе порожнем практически отсутствует.

Анализируя опыт эксплуатации судов, можно прийти к заключению, что наибольшие нагрузки на носовые днищевые перекрытия вызываются ударами о воду (прежде всего при балластных переходах), ледовыми воздействиями и ударами при посадке на грунт через лед (для судов ледового плавания). Особенно опасны ледовые повреждения для порожних судов, возвращающихся после разгрузки через льды.

Требования Правил Регистра, касающиеся подкреплений днищевых конструкций в носу, все еще недостаточны, несмотря на их неоднократное ужесточение. Этими Правилами предусматривается усиление днища на длине не менее 0,25L от носового перпендикуляра, кроме того, в них указаны разные расчетные нагрузки для оконечностей судов при эксплуатационных и экстремальных нагрузках.

Правила классификационных обществ различных стран не дают обобщенного критерия для определения длины района подкреплений. Такой комплексный критерий склонности к слемингу К_s, введен на кафедре конструкции судов ДВПИ, и его учет при проектировании приводит к успеху. Критерий:

$K_s=Fr\rho T_H^{–1},$

где:

• Fr — число Фруда для движения на тихой воде;
• ρ — продольный радиус инерции массы;
• Т_н — осадка носом судна в балласте.

Связь K_s с местоположением кормовой границы необходимого района усиления выражается зависимостью:

l_k= (0,08 + 0,55K_s)L,

где:

• l_k — кормовая граница повреждений, % от длины судна L.

На основании исследования кафедры установлено, что при K_s< 1,5 усиления конструкций днищевых перекрытий можно не делать.

Определение внешних сил, действующих на днищевое перекрытие при ударах носом о воду

Давление на наружную обшивку днища в значительной степени зависит от скорости движения судна на волнении. При увеличении скорости давление возрастает. Проведенные исследования свидетельствуют о том, что при ударах о воду повышенные давления возникают на ограниченных площадях обшивки перекрытия и перемешаются по его поверхности.

Многочисленные работы, выполненные М. К. Очи в бассейне Тейлора в США, позволили создать методику определения расчетных нагрузок при ударах днищем о воду. При использовании данной методики давление находят по формуле:

$q=k{v}^2={\rho }_0{k}_1{v}^2/2,$

где:

• k = ρ₀k₁/2;
• v — относительная скорость встречи днища с волной;
• ρ₀ — массовая плотность воды;
• k₁ — безразмерный коэффициент.

Коэффициент k определяют по данным мореходных испытаний. Установлено, что максимальное давление наблюдается в районе 0,1L для судов с малой скоростью и с большим коэффициентом полноты и в районе 0,2L для судов с большой скоростью и с коэффициентом общей полноты, равным 0,55—0,65.

При проектировании набора днищевых перекрытий, подвергающихся действию ударных нагрузок, особое внимание следует обращать на выбор формы и конструкций подкреплений вырезов в листовом наборе, так как в практике эксплуатации часто наблюдаются потери устойчивости листов в районе вырезов — лазов (рис. 42).

Процесс взаимодействия днища с водой характеризуется формой эпюры нагрузки, максимальной интенсивностью нагрузки и траекторией ее перемещения, а также временем нарастания и действия импульса.

Нагрузки однократного действия характеризуются продолжительностью их действия τ, формой импульса P(t) и наибольшей величиной усилия Р₀ (рис. 43, а). Из этих трех параметров импульсной нагрузки на реакцию системы наибольшее влияние оказывают Р₀ и τ. Кратковременным нагрузкам соответствуют определенные коэффициенты динамичности (рис. 43, б), характеризующие скорость изменения нагрузки от 0 до Р₀.

Импульсы давлений на пластину при слеминге для нагрузок, превышающих 0,3 МПа, чаще всего имеют форму треугольника, а для высоких нагрузок — форму 3, показанную на рис. 43, а. Обычно мгновенного увеличения давления не наблюдается, и кривая изменения коэффициента динамичности располагается где-то между кривыми 3 и 6 (см. рис. 43, б). Другие формы импульсов (не в виде треугольника) встречаются значительно реже, треугольник не всегда равнобедренный, ниспадающая ветвь кривой нагрузки иногда имеет сложную форму.

Будет интересно: Напряжения в корпусе судна при его общем продольном изгибе

Для выполнения расчетов элементов днищевых перекрытий, находящихся под действием ударных нагрузок, необходимо знать эпюры давлений, действующих на рассчитываемые связи, и соответствующие частотные характеристики. Кратковременные нагрузки определяют по записанным на осциллограмме показаниям датчиков давлений.

Экспериментальные замеры свидетельствуют об уменьшении давлений (рис. 44, а) и времени их нарастания (рис. 44, б) от второго теоретического шпангоута к пятому.

В течение длительного времени при определении размеров связей днища, подвергающегося ударным нагрузкам, расчетные внешние нагрузки принимались заниженными. Настоящие требования Правил Регистра к прочности носовых днищевых перекрытий претерпели существенные изменения в сторону ужесточения. Однако из-за сложности определения безопасной скорости до сих пор суда получают повреждения конструкций носовой оконечности.

Экспериментальное изучение реакций носовых днищевых перекрытий на ударные нагрузки продолжается прежде всего из-за невозможности достаточно точно определить расчетным путем частоты собственных колебаний по причине подвижности нагрузки по площади перекрытия, особенностей суммирования отдельных пиков нагружения, действующего при слеминге, а также нерегулярности размещения отдельных конструкций днища в носовой оконечности, где устанавливаются дополнительные подкрепления и где системы набора на одном перекрытии изменяются, а некоторые продольные ребра жесткости днища и второго дна заканчиваются.

На рис. 45 показана приближенная физическая модель возникновения больших гидродинамических усилий при ударе. Импульсное давление имеет два пика в форме колоколов, перемещающихся вдоль перекрытия. Если эти нагрузки движутся навстречу друг другу, их можно суммировать. Процесс, изображенный на рис. 45, был зафиксирован во время экспериментов в море на теплоходе «Камчатские горы». Подобные явления наблюдаются довольно часто, поэтому их необходимо учитывать.

Согласно Нормам прочности в настоящее время за внешнюю расчетную нагрузку принимают нагрузку в виде колокола, а не равномерно распределенную, как это делали раньше.

Определение внешних нагрузок по остаточным прогибам пластин обшивки косвенными методам

Широко применяют прием восстановления поврежденных конструкций при проведении модернизационных мероприятий на базе анализа внешних нагрузок, определяемых по замеренным остаточным деформациям листов обшивки и балок набора. Начало такому анализу было положено учеными П. Н. Матвеевым, А. К. Осмоловским, В. В. Давыдовым, Н. Ф. Ершовым, Н. А. Ивановым, Л. М. Беленьким и В. В. Козляковым. Дальнейшие разработки, проведенные на кафедре конструкции судов ДВПИ, привели к созданию практической методики оценки нагрузок по остаточным прогибам пластин и разработке графиков для определения нагрузок, получивших широкое распространение. На основании этой методики были осуществлены многочисленные мероприятия по модернизации конструкций, получивших повреждения.

Первая такая работа была выполнена на теплоходе «Орехов» (типа «Омск») в 1965 г. Несмотря на то что набор на судах выполнялся по Правилам Английского Ллойда и все конструкции в носовой оконечности отвечали требованиям Норм Прочности Регистра 1962 г., повреждения на всех восьми судах данного типа носили очень серьезный характер. При решении вопросов об усилении набора были учтены работы Н. Ф. Ершова, позволившие приближенно оценить уровень нагрузок, вызвавших повреждения, и спроектировать конструктивные подкрепления, которые до сих пор успешно работают.

В исследовательских целях для расчета прочности новых днищевых перекрытий при ударах кроме нагрузки в виде колокола используют еще две формы эпюр нагрузки:

• конусообразную (рис. 46);
• и призматическую.

Теоретические исследования ударных нагрузок, проведенные В. В. Козляковым, В. А. Жибировым, Г. В. Бойцовым и Н. Ю. Шавровым, выявили некоторые особенности пластического изгиба листов обшивки в условиях совместного со связями днищевых перекрытий деформирования. Получены данные о значительном снижении несущей способности пластин с продольной системой набора. Несмотря на то что работа поперечной и клетчатой систем набора перекрытий в условиях ударных нагрузок пока еще в достаточной степени не изучена, наблюдения за днищевыми перекрытиями, подвергающимися ударам, дают основания утверждать: несущая способность пластин с этими системами набора намного выше, чем с продольной системой. Особенно значительны преимущества клетчатой системы набора благодаря хорошему распору, обеспечиваемому стенками листовых связей этой системы, и самораспору пластин.

В дальневосточных морях, отличающихся тяжелыми условиями плавания, много лет эксплуатируются суда с разными конструктивными особенностями днищевых перекрытий. В экспериментальном порядке на них после получения повреждений под действием ударных нагрузок выполнялись разные подкрепления.

Читайте также: Изменение технологии грузовых работ и перевозки грузов — определяющий фактор в развитии конструктивных типов судов

До сих пор еще в достаточной мере не изучено влияние повторных нагружений на развитие остаточных прогибов конструкций. Этому вопросу в разное время уделял внимание Н. Ф. Ер­шов, но над созданием инженерной методики определения внешних нагрузок по замеренным на судах остаточным деформациям предстоит еще много работать. Для оценки верхнего предела внешних нагрузок можно применять методику, изложенную в общедоступных работах.