Категории сайта

Понятия об остойчивости судна

Остойчивость – это способность судна, выведенного внешним воздействием из положения равновесия, возвращаться в него после прекращения этого воздействия.

Элементы начальной поперечной остойчивости

Основной характеристикой остойчивости является восстанавливающий мо­мент, который должен быть достаточным для того, чтобы судно противостояло статическому или динамическому (внезапному) действию кренящих и дифферентующих моментов, возникающих от смещения грузов, под воздействием ветра, волнения и по другим причинам. Кренящий (дифферентующий) и восстанавлива­ющий моменты действуют в противоположных направлениях и при равновесном положении судна равны.

Различают поперечную остойчивость, соответствующую наклонению судна в поперечной плоскости (крен судна), и продольную остойчивость (дифферент судна).

Продольная остойчивость морских судов заведомо обеспечена и ее наруше­ние практически невозможно, в то время как размещение и перемещение грузов приводит к изменениям поперечной остойчивости.

При наклонении судна его центр величины (ЦВ) будет перемещаться по не­которой кривой, называемой траекторией ЦВ. При малом наклонении судна (не более 12°) допускают, что траектория ЦВ совпадает с плоской кривой, которую можно считать дугой радиуса r с центром в точке m (рис. 1).

Радиус r называют поперечным метацентрическим радиусом судна, а его центр m — начальным метацентром судна.

Метацентр – центр кривизны траектории, по которой перемещается центр величины С в процессе наклонения судна. Если наклонение происходит в попереч­ной плоскости (крен), метацентр называют поперечным, или малым, при наклоне­нии в продольной плоскости (дифферент) – продольным, или большим. Соответ­ственно различают поперечный (малый) r и продольный (большой) R метацентри­ческие радиусы, представляющие радиусы кривизны траектории С при крене и дифференте.

Предлагается к прочтению: Элементы конструкции корпуса судна

Расстояние между начальным метацентром m и центром тяжести судна G называют начальной метацентрической высотой (или просто метацентриче­ской высотой) и обозначают буквой h. Начальная метацентрическая высота явля­ется измерителем остойчивости судна.

h=zc+rzg;   h zm~zc;   h=ra,

где:

Метацентрическая высота (м.в.) – расстояние между метацентром и центром тяжести судна. М.в. является мерой начальной остойчивости судна, определяющей восстанавливающие моменты при малых углах крена или дифферента. При возрас­тании м.в. остойчивость судна повышается. Для положительной остойчивости суд­на необходимо, чтобы метацентр находился выше ЦТ судна. Если м.в. отрицатель­на, т. е. метацентр располагается ниже ЦТ судна, силы, действующие на судно, об­разуют не восстанавливающий, а кренящий момент, и судно плавает с начальным креном (отрицательная остойчивость), что не допускается.

Остойчивость
Рис. 1 Элементы начальной поперечной остойчивости:
OG – возвышение центра тяжести над килем; OM – возвышение метацентра над килем; GM – метацентрическая высота; CM – метацентрический радиус; m – метацентр; G – центр тяжести; С – центр величины

Возможны три случая расположения метацентра т относительно центра тяжести судна G:

Физический смысл метацентра заключается в том, что эта точка служит пределом, до которого можно поднимать центр тяжести судна, не лишая судно положительной начальной остойчивости.

Диаграмма статической остойчивости

Остойчивость судна при малых углах наклонения (θ менее 12°) называется начальной, в этом случае восстанавливающий момент линейно зависит от угла крена.

Рассмотрим равнообъемные наклонения судна в поперечной плоскости. При этом будем полагать, что:

При таких допущениях полный момент пары сил (сил веса и плавучести) действует в плоскости наклонения на плече GK, которое называется плечом ста­тической остойчивости, а сам момент – восстанавливающим моментом и обозна­чается Mв.

Mв=Рhθ

Эта формула носит название метацентрической формулы поперечной остойчивости.

При поперечных наклонениях судна на угол, превышающий 12°, пользовать­ся вышеприведенным выражением не представляется возможным, так как центр тяжести площади наклонной ватерлинии смещается с диаметральной плоскости, а центр величины перемещается не по дуге окружности, а по кривой переменной кривизны, т. е. метацентрический радиус изменяет свою величину.

Для решения вопросов остойчивости на больших углах крена используют диаграмму статической остойчивости (ДСО), представляющую собой график, выражающий зависимость плеч статической остойчивости от угла крена (рис. 2).

Диаграмма статической остойчивости строится при помощи пантокарен – графики зависимости плеч остойчивости формы от объемного водоизмещения судна и угла крена. Пантокарены конкретного судна строятся в конструкторском бюро для углов крена от 0 до 90° для водоизмещений от порожнего судна до водо­измещения судна в полном грузу (находятся на судне – таблицы кривых элементов теоретического чертежа).

Условия крена
Рис. 2 Зависимость плеч статической остойчивости от угла крена:
а – пантокарены; б – графики для определения плеч статической остойчивости l

Для построения ДСО необходимо:

l=lфa*sinθ=lф(ZgZc) *sinθ,

где:

Для построения диаграммы статической остойчивости на оси абсцисс откла­дывают углы крена 0 в градусах, а по оси ординат – плечи статической остойчиво­сти в метрах (рис. 3). Диаграмму строят для определенного водоизмещения.

Диаграмма остойчивости
Рис. 3 Диаграмма статической остойчивости

На рис. 3 показаны определенные состояния судна при различных накло­нениях:

Начиная с положений, больших, чем положение III, судно будет не способно самостоятельно вернуться в положение равновесия без приложения к нему внеш­него усилия.

Таким образом, судно остойчиво в пределах угла крена от нуля до 83°. Точка пересечения кривой с осью абсцисс, соответствующая углу опрокидывания судна (0 = 83°) называется точкой заката диаграммы, а данный угол – углом заката диа­граммы.

Максимальный кренящий момент Mкрmax, который может выдержать судно не опрокидываясь, соответствует максимальному плечу статической остойчивости.

Пользуясь диаграммой статической остойчивости, можно определить угол крена по известному кренящему моменту M1, возникшему под действием ветра, волнения, смещения груза и т. д. Для его определения проводят горизонтальную линию, выходящую из точки M1, до пересечения с кривой диаграммы, и из полу­ченной точки опускают перпендикуляр на ось абсцисс (θ = 26°). Таким же образом решается и обратная задача.

По диаграмме статической остойчивости можно определить величину начальной метацентрической высоты (рис. 3), для нахождения которой необ­ходимо:

Диаграмма динамической остойчивости

На практике часто на судно действует внезапно возникший динамический момент (шквал ветра, удар волны, лопнувший буксир и т. п.). Судно при этом получает динамический угол крена, хотя и кратковременный, но значительно превышающий крен, который мог бы возникнуть при статическом действии этого же момента.

Представим, что к судну, находящемуся в нормальном (прямом) положении внезапно при­ложен кренящий момент Mкр, под действием которого судно начнет крениться с постоянно нарастающей скоростью (с ускорением), т. к. в начальный период вос­станавливающий момент Mв будет нарастать значительно медленнее Mкр. После достижения судном угла статического равновесия θСТ, т. е. когда Mкр = Мв, угловая скорость максимальна. Судно по инерции продолжает крениться, но уже с убыва­ющей угловой скоростью (замедлением). Объясняется это тем, что Mв становится больше, чем Mкр.

В какой-то момент угловая скорость становится равной 0, накренение судна прекращается (судно «замрет» в нижней точке крена) и угол крена достигает своего максимума. Этот угол называется углом динамического крена θдин. Затем судно начнет возвращаться в первоначальное положение.

Под динамическим кренящим моментом, который обычно называют опроки­дывающим моментом, понимают величину максимально приложенного к судну момента, которую оно может выдержать не опрокидываясь.

Динамической остойчивостью называют способность судна выдерживать динамическое воздействие кренящего момента.

Относительной мерой динамической остойчивости является плечо динамиче­ской остойчивости lдин.

Кривую, выражающую зависимость работы восстанавливающего момента или плеча динамической остойчивости от угла крена, называют диаграммой дина­мической остойчивости (ДДО).

Графическое изображение диаграммы динамической остойчивости по отно­шению к диаграмме статической остойчивости дано на рис. 4, из которого вид­но, что:

Статистическая остойчивость
Рис. 4 Диаграммы статической и динамической остойчивости

Обычно в судовых условиях строят диаграмму динамической остойчивости по известной диаграмме статической остойчивости, схема вычислений плеч динамической остойчивости приведена на рис. 5:

Остойчивость
Рис. 5 Вычисление плеч динамической остойчивости

При построении диаграммы динамической остойчивости (рис. 6) по результатам вышеприведенной таблицы динамический кренящий момент принимают постоянным по углам крена. Следовательно, его работа находится в линейной зависимости от угла θ, а график произведения ƒ(θ) = 1кр изобразится на диаграмме динамической остойчивости прямой наклонной линией, проходящей через начало координат. Для ее построения достаточно провести вертикаль через точку, отвечающую крену в 1 радиан и отложить на этой вертикали заданное плечо 1кр. Прямая, соединяющая таким образом точку Е с началом координат О представит искомый график ƒ(θ) =1кр, т. е. график работы кренящего момента, отнесенный к силе веса судна P. Эта прямая пересечет диаграмму динамической остойчивости в точках А и В. Абсцисса точки А определяет угол динамического крена θ, при котором имеет равенство работ кренящего и восстанавливающего моментов. Точка В практического значения не имеет.

Диаграмма
Рис. 6 Диаграмма динамической остойчивости

Если построенный таким образом график произведения lкр вообще не пересекает диаграмму динамической остойчивости, то это означает, что судно опрокидывается.

Для нахождения опроки­дывающего момента, который еще может выдержать судно не опрокидываясь, следует провести из начала коор­динат касательную к диаграмме динамической остойчивости до пересечения ее в точке D с вертикалью, соответствующей крену в 1 радиан. Отрезок этой вертикали от оси абсцисс до пересечения ее с касательной дает плечо опрокидывающего мо­мента 1опр, а сам момент определится умножением плеча 1опр на силу веса судна P. Точка касания С определит предельный угол динамического крена θдин.преп.

Критерии остойчивости

Правила Регистра ввели следующие критерии остойчивости для всех транс­портных судов длиной 20 м и более:

На всех транспортных судах имеется компьютерная программа для расчета посадки, прочности и остойчивости конкретного судна. Эта программа подвергает­ся освидетельствованию Регистром и только после ее одобрения может использо­ваться как грузовой инструмент.

Читайте также: Общие понятия об устройстве судна

Для судов, плавающих в зимнее время в зимних сезонных зонах, помимо основных вариантов нагрузки, должна быть проверена остойчивость с учетом обледенения. При расчете обледененияБорьба с обледенением судна следует учитывать изменения водоизмещения, возвышения центра тяжести и площади парусности от обледенения. Расчет в отношении остойчивости при обледенении должен проводиться для наихудшего, в отношении остойчивости расчетного варианта нагрузки. Масса льда при проверке остойчивости для случая обледенения засчитывается в перегрузку и не включается в состав дедвейта судна. Массу льда на квадратный метр площади общей горизонтальной проекции открытых палуб следует принимать, согласно требований Регистра, равной 30 кг. В общую горизонтальную проекцию палуб должна входить сумма горизонтальных проекций всех открытых палуб и переходов независимо от наличия над ними навесов. Момент по высоте от этой нагрузки определяется по возвышению центра тяжести соответствующих участков палубы и переходов. Массу льда на квадратный метр площади парусности следует принимать равной 15 кг.

Сноски
Sea-Man

Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter

Июнь, 23, 2018 15040 1
Комментарии
  1. Лев
    29.06.2020 в 14:53

    Главное не только знать эти данные, но и правильно их применять в расчетах на практике

Добавить комментарий

Текст скопирован
Пометки
СОЦСЕТИ