.

Напряжения в корпусе судна при его общем продольном изгибе

Продольный изгиб в корпусе судна возникает при попытке плавательного средства противостоять внешним силам при эксплуатации, поэтому так важна жесткость конструкции.

Понятие об эквивалентном брусе

Во время плавания судна в море на волнении в его корпусе возникают напряжения под действием общих деформаций балки-корпуса в результате ее продольного изгиба в вертикальной (см. рис. 3 «Статическая постановка на волну»Общий продольный изгиб и общая продольная прочность корпусных конструкций судна) и горизонтальной плоскостях, а также в результате кручения корпуса (см. рис. 19 «Вертикальный изгибающий (а) и скручивающий (б) моменты при движении судна под углом ψ к волне»Общий продольный изгиб и общая продольная прочность корпусных конструкций судна). Напряжения по контуру поперечных сечений корпуса, вызываемых действием каждой из этих трех причин, показаны на рис. 1.

Напряжения по контуру поперечных сечений корпуса судна
Рис. 1 Распределение напряжений по поперечному сечению корпуса судна: а — изгиб в вертикальной плоскости; б — изгиб в горизонтальной плоскости; в — кручение корпуса

При расчетах общих деформаций и напряжений определяют суммарные напряжения, используя техническую теорию балок, основанную на гипотезе плоских и нормальных сечений, известной из сопротивления материалов. На этой гипотезе основываются расчеты корпуса как целой балки, подвергающейся общему продольному изгибу в вертикальной плоскости. Поперечные сечения пустотелой балки-корпуса уменьшаются от середины длины судна к его оконечностям, в связи с чем уменьшаются их моменты инерции (рис. 2).

Поперечные сечения пустотелой балки корпуса судна
Рис. 2 Эпюры перерезывающих сил (—), изгибающих моментов (— —) и моментов инерции поперечных сечений (— · — ): а — эпюры перерезывающих сил и изгибающих моментов на вершине (I) и подошве (2) волны при D = 22 170 т для сухогрузного судна «Ленинский комсомол» с машиной под средней надстройкой; б — то же, на вершине волны (I) при D = 8 560 т и на подошве (2) волны при D = 18 360 т для сухогрузного судна «Бежица» с машиной и надстройкой в корме, в — эпюры моментов инерции поперечных сечений для сухогрузных судов «Ленинский комсомол» (1), Imax = 488 000 см2 · м2, и «Бежица» (2) Imax = 385 000 см2 · м2

При расчетах общей прочности обычно рассматриваются только наибольшие номинальные напряжения. Дальше будем анализировать общий продольный изгиб в корпусе судна в вертикальной продольной плоскости и методы определения нормальных и касательных напряжений. При определении напряжений поперечные сечения представляют в виде некоторой многотавровой монолитной балки, геометрические площади элементов поперечных сечений которой равны элементам сечения реального корпуса. Площадь поперечного сечения этой балки (рис. 3) равна площади поперечных сечений всех продольных связей корпуса, которые обеспечивают (рис. 4) общую продольную прочность судна под воздействием внешних нагрузок, представленных выше в виде эпюры нагрузки (см. рис. «Ступенчатые кривые массы судна, сил поддержания и нагрузкиОбщий продольный изгиб и общая продольная прочность корпусных конструкций судна«).

Поперечное сечение балки корпуса судна
Рис. 3 Поперечное сечение продольных связей, обеспечивающих общую продольную прочность корпуса (эквивалентный брус); sп, sд — нормальные напряжения в палубе и днище; zп, zд — отстояние палубы и днища от нейтральной оси

Поясками многотавровой балки являются:

  • площади сечения верхней палубы (верхний поясок);
  • площади сечения второго дна и днища (два нижних пояска).

В зависимости от конструкции судна может быть еще несколько промежуточных горизонтальных поясков.

Эквивалентный брус корпуса судна
Рис. 4 Сечение одних продольных связей, выделенных из конструктивного миделя (см. рис. 3) и образующих эквивалентный брус

Стенкой балки, соединяющей эти пояски, служит в основном бортовая обшивка.

Считается, что нормальные напряжения по ширине поясков распределены равномерно, а по высоте стенки — по линейному закону.

Нормальные напряжения, уравновешивающие внешний изгибающий момент в каждом поперечном сечении корпуса, изменяются по высоте пропорционально отстоянию от нейтральной оси (НО) рассматриваемого элемента сечения и определяются по формуле

σi=M(x)zi/I,

где:

Для удобства решения задач общего изгиба корпуса последний идеализируется балкой, эквивалентной корпусу судна по сопротивляемости общему изгибу. Поперечное сечение такой балки называют эквивалентным брусом. Он имеет одинаковые с корпусом судна момент инерции, момент сопротивления связей поперечного сечения и нормальные напряжения (см. рис. 3).

Эквивалентный брус является геометрической моделью поперечного сечения корпуса, которая используется для проверки общей прочности судна.

Отклонение распределения нормальных напряжений от равномерного по ширине поясков и по линейному закону по высоте корпуса (стенки балки) вызываются деформациями сдвига. Однако определять эти отклонения имеет смысл пока только в исследовательских целях по причине их незначительной величины.

Читайте также: Судостроительные чертежи и конструкторские документы по принятым стандартам

При изучении темы «Конструкция корпуса» ограничиваются рассмотрением основного случая — изгиба в вертикальной продольной плоскости. В силу симметричности поперечных сечений корпуса относительно ДП одна из главных центральных осей будет лежать в этой плоскости, а другая — горизонтально. Вычислять момент инерции сечения принято для одной его половины и результаты удваивать, это позволит уменьшить объем вычислений.

В соответствии с технической теорией изгиба балок нормальные напряжения σ, уравновешивающие внешние изгибающие моменты в сечениях корпуса, изменяются по высоте пропорционально отстоянию от НО поперечного сечения этой балки:

σ=Mzi/I,

где:

  • М — изгибающий момент, действующий в данном поперечном сечении корпуса;
  • I — главный центральный момент инерции рассматриваемого поперечного сечения балки относительно НО сечения;
  • zi — расстояние до ЦТ связи от НО.

При расчетах нормальных напряжений изгибающие моменты считаются положительными, когда судно получает перегиб, т. е. палуба растягивается, а днище сжимается. Величина zi — считается положительной выше НО сечения. Момент инерции всегда положителен, и, следовательно, знак нормальных напряжений σi определяется только знаками М и zi, а это означает, что на вершине волны в связях сечения выше НО σi, имеют знак плюс (растяжения), ниже — минус (сжатие), а на подошве волны — наоборот.

Касательные напряжения, действующие в поперечных сечениях корпуса судна при его изгибе одновременно с нормальным, вызываются перерезывающими силами. В целях обеспечения прочности корпуса должен проводиться контроль нормальных напряжений и касательных в сечениях, где действуют наибольшие перерезывающие силы. Для этого используют известную формулу:

τ=NS/Iδ,

где:

  • N — перерезывающая сила, действующая в данном поперечном сечении корпуса;
  • S — статический момент части площади данного поперечного сечения корпуса, лежащей выше или ниже горизонтали, на уровне которой определяются касательные напряжения;
  • δ — суммарная толщина продольных связей поперечного сечения, пересекаемых горизонталью, на уровне которой определяются касательные напряжения;
  • I — момент инерции сечения, для которого рассматриваются напряжения.

Расчеты, выполняемые на основе технической теории изгиба балок, впервые были уточнены при изучении прочности судов «Либерти» проф. Д. П. Скобовым в 1944 г. во время его работы во Владивостоке в ДВПИ. Теоретический анализ выполнили позже проф. Г. В. Бойцов и проф. О. М. Палий. Было установлено, что отклонение от линейного распределения нормальных напряжений составляет в районе соединения палубных стрингера с ширстреком около 6%.

Наибольшие изгибающие моменты от общего продольного изгиба корпуса судна обычно имеет место около миделя, однако их величина в этом районе меняется незначительно, поэтому требуется сохранить площадь сечений продольных связей на длине (0,4—0,5)L в средней части судна постоянной. Расположение этих связей по поперечному сечению зависит от конструктивного типа судна. В этом можно убедиться, сравнив сечения эквивалентных брусьев рудовоза (см. рис. 3) и контейнеровоза (рис. 5).

Сечение брусьев контейнеровоза
Рис. 5 Конструктивный мидель-шпангоут контейнеровоза

Они значительно отличаются друг от друга.

Наибольшие нормальные напряжения в эквивалентном брусе возникают в наиболее удаленных от НО волокнах, а наибольшие касательные — вблизи нее.

Для определения величины нормальных σi, и касательных τi, напряжений в отдельных связях сечения корпуса необходимо предварительно вычислить момент инерции поперечного сечения балки-корпуса. Однако не все связи корпуса, попадающие в поперечное сечение, полностью участвуют в восприятии изгибающего момента и перерезывающей силы. Действительно, в составе корпуса отдельные его элементы не имеют жесткого соединения с основными связями (например, фальшборты с подвижными соединениями и сплошными прорезями) или не в состоянии включиться в работу при общем продольном изгибе всего корпуса из-за малой длины (например, короткие рубки или короткие продольные комингсы или, наконец, если отдельные связи выполнены из материалов с меньшим модулем нормальной упругости Е, чем модуль упругости связей основного корпуса.

В связях, одинаково удаленных от НО, выполненных из разных материалов, возникают разные напряжения. Эффективность связей с меньшим модулем упругости в обеспечении общей продольной прочности будет меньшей. При вычислении момента инерции поперечного сечения корпуса площадь связей из материалов с меньшим модулем упругости необходимо включить в эквивалентный брус с редукционным коэффициентом, равным отношению меньшего модуля упругости связей к модулю упругости основного корпуса.

Если надстройка выполнена из алюминиевых сплавов на стальном корпусе, то:

Eа/EСТ1/3.

Таким образом, расчет общей продольной прочности корпуса уподобляется расчету некоторой эквивалентной балки.

Связи ограниченной длины, попадающие в данное поперечное сечение и имеющие одинаковую протяженность в обе стороны от него длиной больше, чем высота борта судна, включаются в работу с основным корпусом постепенно, от концов к середине. Необходимо учитывать, что продольные короткие балки-стенки при большой высоте в результате внецентренного растяжения и сжатия могут прогибаться внутрь корпуса (например, продольные стенки рубок), и тем больше, чем меньше жесткость перекрытия, на которые эти балки-стенки опираются. Следовательно, поперечные сечения корпуса судна по форме и общей площади могут значительно отличаться от поперечных сечений корпуса, принимаемых в расчете эквивалентного бруса. Корректировку площади и формы расчетного сечения выполняют в соответствии с положениями Правил и Норм прочности морских судов.

Рекомендуется к прочтению: Судостроительные чертежи и конструкторские документы по принятым стандартам

Непрерывные продольные комингсы грузовых люков в последнее время включают в состав эквивалентного бруса. Такие же рекомендации дают и для фальшбортов, прочно присоединенных к ширстреку, учитывая их меньшую повреждаемость, чем продольных комингсов.

Все непрерывные продольные связи образуют расчетное поперечное сечение корпуса (см. рис. 4). Для этого сечения и определяют момент инерции и напряжения в отдельных связях корпуса.

Некоторые продольные связи корпуса при их сжатии могут терять устойчивость под действием возникающих напряжений при изгибе корпуса. Устойчивость их надо проверять путем сравнения критических (исправленных эйлеровых напряжений σкр) с расчетными сжимающими напряжениями. Критические напряжения определяют, учитывая уменьшение модуля упругости Е деформированных связей (рис. 6).

График критических напряжений стали и алюминия в корпусе судна
Рис. 6 Зависимость между эйлеровыми и критическими напряжениями. 1 — для стали; 2 — для алюминия

Так же как при изгибе двутавровой балки, верхний и нижний пояски эквивалентного бруса, т. е. верхняя палуба с продольным набором и днище с продольным набором, будучи связями, расположенными на наибольшем расстоянии от НО поперечного сечения, оказывают наибольшее влияние на момент инерции. При наличии надпалубных конструкций в виде надстроек, рубок, продольных комингсов, фальшбортов, участвующих в общем продольном изгибе корпуса, они будут оказывать большое влияние на величину этого момента, но если удается избежать прогиба этих конструкций в сторону, противоположную изгибу основного корпуса.

Листы настила промежуточных палуб с продольным набором, а также листы высокого второго дна с набором влияют на величину момента инерции тем меньше, чем ближе они находятся от НО поперечного сечения.

Расчетные моменты сопротивления поперечного сечения:

  • для днища Wд = I/zд;
  • для палубы Wп = I/zп;
  • для палубы надстройки Wн = I/Zн;
  • для комингса или фальшборта Wк = I/zк.

Нормальные напряжения:

  • в днище σд = M/Wд,
  • в палубе σп = M/Wп,
  • в продольном комингсе σк = M/Wк,
  • в фальшборте σф = M/Wф.

Момент сопротивления поперечного сечения корпуса — обобщающая характеристика, и его называют стандартом общей прочности. Установить и обосновать необходимый для безопасной эксплуатации судна стандарт общей прочности достаточно сложно, но очень важно.

При статических или близких к ним (квазистатических) нагрузках прочность корпуса судна определяют по состоянию наиболее напряженных связей, т. е. наиболее удаленных от НО сечения (эквивалентного бруса).

Расчет эквивалентного бруса в первом приближении

Принято нормальные и касательные напряжения в связях поперечного сечения корпуса судна определять в табличной форме (табл. 1).

При этом в первом приближении все связи расчетного сечения считают жесткими, не теряющими устойчивость при действующих сжимающих напряжениях и работающих всей своей площадью. В действительности в составе корпуса иногда имеются такие конструкции, которые при сжатии теряют устойчивость, после чего не в состоянии воспринимать увеличивающиеся дополнительные нагрузки. В результате нагрузки воспринимаются другими связями сечения, не теряющими устойчивость. Потерю устойчивости связей, установленную расчетами, учитывают в расчетах эквивалентного бруса во втором и последующих (если это понадобится) приближениях. Расчет ведут для половины поперечного сечения.

В отличие от сплошных балок для расчета тонкостной балки-корпуса напряжения определяют не только в наиболее удаленных от НО связях, но и для каждой связи по формуле:

σ=(M/I)zi,

где:

  • zi — расстояние от НО до ЦТ данной связи.

С целью расчетов в первом приближении в табл. 1 вписывают название всех продольных связей, их размеры и площади поперечных сечений, мм2.

Таблица 1. Определение момента инерции поперечного сечения и нормальных напряжений в связях этого сечения
№ связиНаименование связиПлощадь связи Fn см2Расстояние по ЦТ связи от оси сравнения zi, мFiziFizi2zi=zieσВ=KВziσп=Kпzi
1
2
.
.
.
ΣAe=B/ABC

Назначают ось сравнения OO, располагая ее параллельно НО поперечного сечения эквивалентного бруса. Относительно переносной оси ОО рассчитывают статические моменты площадей

Fi zi

, и переносные моменты инерции

Fizi2

всех отдельных связей поперечного сечения. Ось сравнения OO предпочтительней выбирать на середине высоты поперечного сечения с целью уменьшения расстояний

zi

и их квадратов. С этой же целью zi заносят в таблицу в метрах.

Если расчет поперечного сечения корпуса судна выполняют в предположении, что все связи являются жесткими, то его называют расчетом эквивалентного бруса в первом приближении. Расчет во втором приближении выполняют, когда отдельные связи сечения при напряжениях, определенных в первом приближении, имеют недостаточную величину эйлеровых напряжений и при сжатии теряют устойчивость.

В табл. 1 записывают собственные моменты инерции только связей, поперечные сечения которых располагаются вертикально, таких, например, как листов бортовой обшивки, карлингсов, продольных комингсов, продольных стенок надстроек, днищевых стрингеров, вертикального киля. Собственными же моментами инерции горизонтальных связей из-за их малой величины пренебрегают.

После заполнения таблицы все площади поперечных сечений связей А, статические моменты всех этих площадей В и переносных моментов инерции относительно оси ОО суммируют и затем определяют момент инерции эквивалентного бруса.

Прежде всего устанавливают отстояние НО всего поперечного сечения корпуса от переносной оси OO. Нейтральная ось поперечного сечения проходит через его ЦТ на расстоянии е от переносной оси: е = В/А.

Главный центральный момент инерции расчетного поперечного сечения корпуса судна относительно НО (обозначения см. в табл. 1) равен:

I=2[CB2/A)]=2(CeB).

Отстояние ЦТ каждой продольной связи поперечного сечения корпуса от НО:

zi = zi  e

. Тогда нормальные напряжения от общего изгиба для любой продольной связи корпуса на вершине σв и подошве волны σп можно определить по формулам:

  • σв = (Mв/F)zi = Квzi;
  • Кв = Mв/I;
  • σп = (Mп/I)zi = Кпzi;
  • Кп = Mп/I.

Здесь:

  • Mв — расчетный изгибающий момент на вершине волны;
  • Mп — то же на подошве волны.

Для того чтобы в результате расчетов напряжения получить в мегапаскалях, необходимо принимать:

  • I в метрах четвертой степени;
  • zi — в метрах;
  • Mв и Mп — в меганьютонах на метр.

Наибольшие рассчитанные в табличной форме переменные напряжения в отдельных связях поперечного сечения корпуса необходимо сравнить с допускаемыми нормальными напряжениями σдоп. Они определяются как часть от предела текучести σт, материала данной связи. Прочность продольной связи корпуса судна считается обеспеченной, если действующие в любой связи напряжения σ≤σдоп. Если же σ > σдоп, то необходимо увеличить размеры поперечного сечения некоторых продольных связей, прежде всего наиболее удаленных от НО эквивалентного бруса так, чтобы действующие напряжения не превышали допустимой величины.

Наиболее ответственные связи эквивалентного бруса назначают такими, чтобы устойчивость их при общем продольном изгибе была обеспечена. Однако все же обнаруживаются связи, которые теряют устойчивость и требуют проведения расчета во втором приближении. Во время эксплуатации связи корпуса изнашиваются, в результате возникает опасность появления вмятин, бухтин и гофрировки, и как результат теряется устойчивость вследствие увеличения действующих напряжений по сравнению с теми, которые были определены в первом приближении.

Выбор расчетных поперечных сечений корпуса и отдельных элементов эквивалентного бруса

Одной из основных величин, характеризующих общую продольную прочность корпуса судна, является минимальный момент сопротивления поперечного сечения (обычно для палубы). Он в течение многих лет регламентировался правилами классификационных обществ и основывался на стандарте прочности, установленном Международной конвенцией о грузовой марке 1966 г. Однако стандарт изменяется в связи с развитием судоходства и прогрессом в судостроении.

Нормирование общей продольной прочности корпуса судна гарантируется моментами сопротивления нескольких поперечных сечений, расположенных в разных местах по длине корпуса.

Проверка общей продольной прочности корпуса при его общем изгибе должна проводиться в соответствии с требованиями Норм прочности морских судов в районе миделя и других поперечных сечений, где можно ожидать наименьших запасов прочности, т. е. где могут появиться наибольшие напряжения.

Предлагается к прочтению: Плазовые работы, подготовка и выполнение масштабирования

Современные суда с горизонтальным способом проведения грузовых операцийБезопасное проведение швартовых и грузовых операций на наливных судах в открытом море имеют в палубах только небольшие вырезы для вентиляторов. У судов же с вертикальным или смешанным способами проведения грузовых операций (контейнеровозов) от палубного настила практически остаются только узкие поясья вдоль бортов. Поэтому поперечные сечения контейнеровозов значительно отличаются от поперечных сечений судов с малыми вырезами в палубе. У первых поперечные сечения палуб имеют малую площадь, а у последних — очень значительную, и, чтобы целесообразно использовать материал корпуса при общем продольном изгибе, необходимо принимать конструктивные меры для более равномерного размещения связей на палубе и днище.

Идеальным случаем эквивалентного бруса был бы такой брус, у которого верхний (верхняя палуба) и нижний пояски (днище) имели при одинаковых материалах одинаковые площади. В этом случае НО поперечного сечения находилась бы по середине его высоты, и напряжения в верхней палубе и днище были одинаковыми. Такой брус характерен для судов без вырезов в палубе с двойной верхней палубой. Этот тип конструкции встречается на судах постройки последних лет. На судах же с широкими палубными вырезами с целью перемещения НО ближе к палубе утолщают продольные связи палубы, устраивают подпалубные бортовые цистерны, увеличивают число продольных связей по верхней палубе и подпалубным цистернам, а также делают непрерывными продольные комингсы. Можно выполнять такими же фальшборты, жестко присоединяя их к бортовой обшивке.

Форма поперечных сечений корпуса судна может оказать существенное влияние на положение НО поперечного сечения, а следовательно, и на распределение напряжений в днище и палубе. Если рассматривать поперечные сечения не в средней цилиндрической части судна, а ближе к оконечностям, то острые образования в подводной части и еще довольно широкая верхняя палуба без вырезов могут создать условия, когда НО поперечного сечения будет располагаться ближе к верхней палубе и напряжения в днище будут намного больше напряжений, чем в верхней палубе.

Действительно, моменты инерции сечений в оконечностях по сравнению с миделевыми уменьшаются, изгибающие моменты могут сохранять еще значительную величину, а перерезывающие силы достигать максимума (рис. 7). От ударных нагрузок изгибающий момент в поперечных сечениях в носовой оконечности может значительно увеличиваться. На рис. 2 моменты в носовой оконечности показаны без учета динамических нагрузок.

Моменты инерции поперечных сечений корпуса судна
Рис. 7 Моменты инерции поперечных сечений сухогрузных судов «Ленинский комсомол» (1) и «Бежица» (2), кривые перерезывающих сил (3) и изгибающих моментов поперечных сечений (4), характерных для сухогрузных судов в груженом состоянии

Все балки продольного набора — стрингеры, карлингсы, продольные комингсы, продольные ребра днища палуб и бортов — включаются в состав расчетного поперечного сечения корпуса полной площадью своих поперечных сечений, если соблюдается условие достаточной их протяженности и обратный изгиб при внецентренном растяжении этих связей исключен. Последнее достигается путем обеспечения достаточной жесткости перекрытий, частью которых являются продольные связи расчетного поперечного сечения.

Степень участия в общем продольном изгибе надстроек, рубок, разрезных комингсов, а также листов палубного настила, продольных ребер, расположенных между рядами сдвоенных или строенных люков палубы между поперечными комингсами соседних по длине люков, должна определяться расчетным путем.

Непрерывные продольные комингсы грузовых люков можно включать в состав расчетного поперечного сечения корпуса судна при расчете общей продольной прочности после определения степени их участия по специальной методике, одобренной Регистром.

Если грузовые люки расположены в один ряд и опираются на вторые борта или продольные переборки подпалубных цистерн, то комингсы можно считать полностью включающимися в состав поперечного сечения.

Площадь продольных связей из легких сплавов в состав расчетного поперечного сечения включают с редукционным коэффициентом меньше единицы, представляющим собой отношение модулей нормальной упругости легкого сплава и стали.

Общую продольную прочность корпуса судна проверяют не менее чем по трем его поперечным сечениям: на миделе и в местах возможного появления наибольших напряжений. Появление повышенных напряжений в поперечных сечениях корпуса судна возможно в местах резкого изменения соседних сечений, когда к напряжениям от общего изгиба могут добавляться высокие местные напряжения, возникающие при общем же изгибе корпуса в прерывистых связях.

Например, у конца надстройки в районе действия больших изгибающих моментов возникает высокая концентрация дополнительных напряжений из-за резкого обрыва надстройки.

Эти дополнительные напряжения суммируются с собственными общими напряжениями от общего изгиба. Они могут представлять опасность для прочности всякого корпуса, вызывая трещины, которые быстро распространяются, особенно при низких температурах и при действии ударных нагрузок. Резкий обрыв большого числа продольных ребер в одном поперечном сечении может создать по концам отдельных ребер зоны повышенных напряжений, способствующих появлению трещин и их распространению по поперечному сечению через эти зоны.

Такие зоны повышенных местных напряжений возникают также у поперечных переборок в месте установки книц по концам продольных ребер при неправильном оформлении этих конструктивных узлов, что наблюдалось особенно часто на американских сварных судах типа Т-2 и неоднократно приводило к полному разделению корпуса на две части.

Известны случаи отрыва носовой оконечности и опасные повреждения ее из-за увеличения изгибающих моментов в поперечных сечениях от ударного воздействия волн при сильном волнении.

Кроме нормальных напряжений при общем продольном изгибе корпуса в поперечных сечениях, в которых действуют самые большие перерезывающие силы, необходимо определять касательные напряжения.

Расчет нормальных напряжений во втором приближении

При проверке прочности поперечного сечения в расчет включают полную площадь плоских листов и подкрепляющих их балок набора. Если отдельные продольные связи, включаемые в эквивалентный брус, могут терять устойчивость, то элементы поперечного сечения последнего определяют с учетом уменьшения площади (редуцирования) тех связей, которые потеряли устойчивость при действии сжимающих напряжений, полученных при расчетах в первом приближении. Установлено, что листы обшивки между продольными балками набора могут на части расстояния между соседними балками терять устойчивость. В то же время сами балки и прилежащие к ним узкие участки листов остаются жесткими, т. е. работающими полной своей площадью сечения и не требующими редуцирования (см. рис. 8).

Уменьшение и увеличение напряжений пластины корпуса судна
Рис. 8 Уменьшение напряжений σпл посредине пластины после потери ею устойчивости и последующего увеличения напряжений σж.е в зависимости от изменения отношения σср/э

При расчете эквивалентного бруса во втором приближении при наличии пластин, теряющих устойчивость, их заменяют фиктивной связью с меньшей площадью. Не уменьшают площадь сечений двух участков ширины пластины обшивки, прилегающих к продольным балкам и равных 0,2 размера короткой стороны опорного контура данной пластины (панели). В результате общая площадь расчетного сечения уменьшается. Это уменьшение может происходить по-разному, в результате чего НО смещается и геометрические характеристики эквивалентного бруса (момент инерции и момент сопротивления) меняются. В результате изменяется и величина действующих напряжений по сравнению с полученными при расчетах в первом приближении.

К продольным связям, способным выдерживать сжимающие нагрузки до разрушения конструкций, не теряя устойчивости, кроме поясков набора относятся еще связи, имеющие большую поперечную кривизну, наподобие скуловых листов.

Расчеты во втором приближении выполняют для двух случаев: на вершине волны и на ее подошве. Связи эквивалентного бруса в обоих случаях находятся в условиях сжатия по-разному.

В случае, когда для каждой связи поперечного сечения корпуса судна критические напряжения, при которых связи могут терять устойчивость, больше сжимающих (σкр < σсж), устойчивость всех связей будет обеспечена (см. рис. 6).

Читайте также: Как, и где изготавливают составные детали корпусных конструкций?

При проектировании конструкций поперечных сечений наиболее ответственные связи (палубный стрингер, ширестрек и днищевая обшивка) назначают такими, чтобы они обладали достаточной устойчивостью.

Если в расчетном поперечном сечении окажутся связи, которые в условиях сжатия могут терять устойчивость (σкр < σсж) и при этом нести поперечную нагрузку или иметь начальную погибь, то необходимо эквивалентный брус рассчитать во втором приближении. До потери устойчивости, например, листы настилов палуб, загруженные равномерными сжимающими усилиями, действующими в их плоскости, остаются плоскими.

В продольных ребрах жесткости, подкрепляющих эти листы, возникают такие же сжимающие напряжения, как и в листах палубы. С ростом сжимающих усилий в некоторый момент времени листы потеряют устойчивость, т. е. выпучатся и перестанут быть плоскими. Продольные ребра, будучи вместе с прилежащими к ним участками пластин жестокими связями, оказываются напряженными в большей степени, чем пластины в их средней части (по ширине), искривившиеся после потери устойчивости.

Устойчивость продольных связей корпуса при общем продольном изгибе в условиях их сжатия проверяют, сравнивая критические (исправленные эйлеровые) напряжения с расчетными сжимающими. Эйлеровы напряжения исправляют по причине уменьшения модуля нормальной упругости Е деформированных связей.

Эйлеровы напряжения рассчитывают для:

  • всех пластин (панелей), образующих наружную обшивку;
  • настилы палуб;
  • настил второго дна;
  • стенки вертикального киля, стрингеров, карлингсов, продольных комингсов и фальшбортов.

При этом пластины по контуру, образуемому соседними продольными и поперечными балками набора, считают свободно опертыми. Устойчивость балок набора с присоединенными к ним поясками должна быть обеспечена.

При проверке устойчивости продольных ребер их считают свободно опертыми на поперечные связи.

Если часть пластин по середине их ширины под действием сжимающих напряжений, превышающих эйлеровы σэ, теряет устойчивость, то с этого момента (точка А на рис. 8) при дальнейшем сжатии конструкции у этой средней части пластины наблюдается прекращение роста напряжений и даже некоторое их уменьшение, а в ограничивающих пластину продольных жестких связях с этого же момента происходит не пропорциональное, а более резкое увеличение напряжений (рис. 8).

До того как средняя часть пластины потеряла устойчивость, с увеличением сжимающих усилий напряжения в жестком продольном наборе, в присоединенных жестких поясках и в средней части пластины пропорционально увеличивались (рис. 8, линия ОА). С ростом сжимающих усилий в какой-то момент времени в средней части пластины возникает ее деформация (выход из плоскости). С ростом деформации пластины ее способность восприятия сжимающих усилий падает и напряжения уменьшаются (кривая АС). Напряжения же в жестком наборе и жестком присоединенном пояске пластины возрастают уже не пропорционально, а в большей степени (кривая АВ).

До момента потери устойчивости пластина между ребрами остается плоской и равномерно сжатой, и во всех точках ее поперечного сечения нормальные напряжения равны σср. Такие же по величине сжимающие напряжения возникают и в продольных ребрах, ограничивающих эту пластину. В этом случае сжимающая суммарная нагрузка, действующая на поперечное сечение пластины:

Pпл=σсрat,

где:

  • а — ширина пластины между продольными ребрами, ограничивающими пластину;
  • t — толщина пластины (рис. 9).

Нагрузка на продольные ребра жесткости составляет

Рж.с = σсрF,

где

  • F — площадь поперечного сечения ребер.
Продольный изгиб в корпусе судна
Рис. 9 Нередуцируемые (залиты черным) и редуцируемые части продольных связей эквивалентного бруса (части перекрытия с продольным набором)

Определение напряжений от общего продольного изгиба при наличии теряющих устойчивость связей или связей с начальной погибью носит название расчета во втором приближении, или расчета по методу редукционных коэффициентов.

Все связи расчетного поперечного сечения разделяют на две категории:

  • жесткие;
  • и гибкие (редуцируемые) (см. рис. 9).

Жесткие связи не могут терять устойчивость, у них σэ равны или больше предела текучести материала. Такие связи в расчет эквивалентного бруса вводятся с учетом полной площади их поперечного сечения. При этом начальной погибью и деформациями от поперечной нагрузки пренебрегают. Подобные связи не теряют устойчивость до момента разрушения конструкции.

Гибкие связи — это все пластины эквивалентного бруса, кроме участков, прилегающих к продольным балкам набора. Ширина этих участков с каждой стороны балки равняется 0,2а меньшей стороны контура пластины. К гибким связям не относят пластины с малым радиусом кривизны, например скуловые листы и скругленный ширстрек.

Разделение связей на жесткие и гибкие носит условный характер, так как любая связь до некоторого момента ведет себя как жесткая, и в реальных конструкциях напряжения по поперечному сечению пластины от ребер жесткости к ее середине при потере устойчивости изменяются постепенно.

При расчете эквивалентного бруса площадь фиктивной жесткой связи определяют по формуле:

σж.сFж.с=σплFпл,

где:

  • σж.с и σпл — сжимающие напряжения в жестокой и гибкой связях соответственно;
  • Fж.с и Fпл — площади жесткой и гибкой связей.

Тогда:

Fж.с=(σпл/σж.с)Fпл=φFпл; φ=σпл/σж.с,

где:

  • φ — редукционный коэффициент, который может быть только меньше единицы.

Если для σэ > σж.с, то связь не будет терять устойчивость. Суммарная нередуцируемая ширина пластины равна 0,4а, так как жесткие связи ограничивают ее с двух сторон. Нередуцируемая площадь пластины равна 0,6at (см. рис. 9):

0,4at+0,6atφ=at(0,4+0,6φ).

Эта площадь меньше площади пластины или равна ей, так как не может быть больше единицы.

Напряжения от общего продольного изгиба во втором приближении рассчитывают отдельно для положения судна на вершине и на подошве волны, так как разные связи теряют устойчивость, редукционные коэффициенты разные. Положение НО в обоих случаях будет неодинаковым, и напряжения в одних и тех же связях отличаются.

Редуцируемые пластины поперечного сечения корпуса обычно располагаются в районах верхней палубы и днища (см. рис. 8); при разных системах набора перекрытий редукционные коэффициенты определяют по-разному.

При продольной системе набора перекрытия для пластин, на которые местные поперечные нагрузки не действуют, начальную погибь не учитывают и цепные напряжения в гибких связях после потери ими устойчивости принимают равными σэ, а редукционный коэффициент находят по формуле:

φ=σэ/σж.с,

где:

  • σэ — эйлеровы напряжения;
  • σж.с — сжимающие напряжения при расчете эквивалентного бруса в первом приближении.

Эту же формулу можно использовать для вычисления редукционных коэффициентов пластин при поперечной системе перекрытий и при отсутствии начальной погиби пластин.

Перекрытия, подверженные действию поперечной нагрузки, связи, на которые действует эта нагрузка после потери устойчиво­сти под действием суммарных напряжений, будут участвовать в общем и местном изгибе с теми напряжениями, которые в них возникли в момент потери ими устойчивости:

φ=(σэ+σм)/σж.с,

где:

  • σм — нормальные продольные напряжения от изгиба пластины поперечной нагрузкой (знак плюс при растяжении и минус при сжатии).

Критерии нормирования общей продольной прочности

Выше уже рассматривались допущения, используемые при практических расчетах общей продольной прочности корпуса судна на тихой воде и на волнении. Вследствие многообразия действующих на корпус усилий в штормовых условиях в море, а также ввиду большой сложности самих конструкций, выполняющих различные функции, при расчете внутренних напряжений существующими методами не удается в полном объеме учесть сложные условия эксплуатации, постройки и ремонта судов.

В последние годы для определения внешних воздействий на корпус судна применяют вероятностные методы, которые дают только приближенные результаты. Это объясняется зависимостью исходных для расчета данных от недостаточно достоверных положений, уточнить которые пока не представляется возможным. Поэтому нормирование прочности носит условный характер, как и назначение критериев прочности, при котором сообразуются с признаками появления в корпусных конструкциях опасных состояний, таких как:

  • усталостные повреждения;
  • хрупкие разрушения;
  • пластические деформации;
  • потеря устойчивости сжатых конструкций.

Возникновение трещин, представляющих основную опасность для корпуса судна, зависит от большого количества трудно учитываемых причин, имеющих случайную природу. Поэтому оценки критериев повреждений от усталости и хрупких разрушений, которые сложно определить, учитывают главным образом требования к материалу. Это объясняется невозможностью до конца оценить и выразить влияние всех факторов, от которых зависит прочность судна как балки.

При определении размеров элементов корпусных конструкций приходится пользоваться условными методами расчета их напряженного состояния, заменяя:

  • реальные нагрузки расчетными, эквивалентными;
  • реальный материал судовых конструкций — материалом с идеализированными свойствами;
  • реальные конструкции — условной расчетной схемой;
  • действительно напряженное состояние — математической моделью;
  • реальную прочность — условными измерителями.

В связи с этим нормирование прочности — условный процесс, при этом обязательно вводят запас прочности, учитывающий возможные влияния принятых допущений на реальную конструкцию. Надежность конструкций может быть установлена и в результате экспериментальной проверки принятых решений при постройке судна и во время его эксплуатации в наиболее тяжелых условиях плавания.

Для правильной оценки прочности судовых конструкций знания только внутренних и внешних сил, действующих на судно, недостаточно. Необходимо еще знать, как конструкции будут вести себя в разных условиях эксплуатации при переменных нагрузках, низких температурах, после получения повреждений и износа. Все эти условия влияют на величину допускаемых напряжений и запасы прочности судна.

Будет интересно: Технология изготовления узлов, секций и блоков секций корпуса

Всестороннее изучение внешних нагрузок на судно позволило в последние годы использовать более обоснованные критерии и значения необходимых запасов общей прочности корпуса.

Внешние нагрузки на судно
Волновые внешние нагрузки на нос судна

Выявление основных определяющих признаков для оценки свойств конструкций позволяет с помощью этих признаков сравнивать различные конструкции и задавать технические требования к каждому их свойству.

Основой для выбора критериев прочности судовых конструкций являются правила классификационных обществ, разработанные с учетом опыта эксплуатации судов и теоретических обобщений физических закономерностей.

Последние позволяют установить:

  • характер изменения требований к прочности конструкций в зависимости от размеров судна;
  • механических свойств материала;
  • районов плавания и т. д.

Для разных судов, плавающих в разных условиях, на выбор элементов одних и тех же конструкций могут влиять совершенно иные факторы.

Критерии прочности аналитически связывают характеристики нагруженности корпуса при его общем продольном изгибе с параметрами опасного состояния. Длительное обсуждение вопросов, связанных с критериями прочности, объясняется сложностью отыскания закономерностей изменения требований по мере изменения элементов конструкций.

Напряжения и деформации от действия внешних нагрузок определяют прочность судна как целой балки, и при выборе критериев общей продольной прочности нужно определить, какие напряжения и деформации могут нарушить прочность корпусных конструкций.

В соответствии с Нормами 1991 г. общую продольную прочность корпуса проверяют по следующим параметрам:

  • по критерию эксплуатационной (усталостной) прочности от многократного изгиба корпуса на волнении под действием волновой составляющей изгибающего момента Мв и изгибающего момента на тихой воде Мт.в;
  • по предельному состоянию на изгиб при действии максимально возможной суммы расчетных значений волновой составляющей изгибающего момента Мв, составляющей Му от удара о волну днищем и развалами носовой оконечности;
  • по предельному состоянию на срез при действии максимально возможной суммы расчетных значений перерезывающих сил.

При проверке общей прочности по специальному указанию Регистра учитывают дополнительные составляющие общей нагрузки корпуса судна:

  • горизонтальный изгибающий момент Мг,
  • и крутящий момент Мк.

Нормы 1991 г. рекомендуют выполнять расчеты общей продольной прочности корпуса судна по перечисленным критериям для всех наиболее неблагоприятных случаев загрузки, при которых запасы прочности в поперечных сечениях корпуса наименьшие.

В настоящее время существует несколько взглядов на использование критериев общей продольной прочности, их сравнительную важность и роль отдельных. Иногда высказываются диаметрально противоположные взгляды. Однако практика эксплуатации судов показывает, что к хрупкой прочности и усталостной долговечности следует относиться одинаково серьезно.

Критерий предельной прочности представляет собой расчетные требования, выполнение которых предотвращает опасное состояние (разрушение) отдельных конструкций или всего корпуса. Такое состояние конструкций вызывается разовым воздействием наиболее неблагоприятной совокупности нагрузок при растягивающих и сжимающих напряжениях от общего продольного изгиба.

Требование к общей предельной прочности корпуса судна можно представить зависимостью:

МпрK3(k1MВmax+k2MДmax+k3MТ.Вmax),

где:

  • Мпр — предельный изгибающий момент, который может быть воспринят поперечным сечением корпуса;
  • MBmax

    — расчетная величина максимального волнового изгибающего момента, действующего в расчетном поперечном сечении;

  • MДmax

    — динамический изгибающий момент в расчетном сечении;

  • MТ.Вmax

    — статическая составляющая изгибающего момента на тихой воде в расчетном сечении;

  • К3 — общий коэффициент запаса;
  • 1, k2, k3 — поправочные коэффициенты.

Раньше предельный изгибающий момент определяли по формуле:

Мпр=WпрσТ,

где:

  • Wпр — предельный момент сопротивления поперечного сечения корпуса, вычисленный с учетом редуцирования его гибких связей.

Предполагается, что нормальные напряжения в продольных связях сечения вызываются только общим продольным изгибом корпуса и только в вертикальной плоскости, а влияние на прочность корпуса горизонтального и крутящего моментов и поперечной нагрузки незначительно.

Академик Ю. А. Шиманский предложил метод оценки прочности по величине условных предельных изгибающих моментов при чистом изгибе в вертикальной плоскости. Этот критерий иногда называют критерием Ю. А. Шиманского.

Предельным изгибающим моментом Мпр называется такой, который в крайних связях меньшего пояска поперечного сечения корпуса (эквивалентного бруса) вызывает опасные для прочности конструкций напряжения, равные пределу текучести материала.

Изгибающий момент Мпр рассматривают как разрушающий, так как при растягивающих усилиях, равных σт, появляются недопустимые остаточные деформации, а при сжимающих крайние связи сечения при σт теряют устойчивость.

Сохраняются трудности в определении фактической предельной несущей способности корпуса из-за ряда принятых условностей, влияние которых до сих пор остается недостаточно ясным. Это частично служит причиной того, что в правилах классификационных обществ при определении общей прочности корпуса ограничиваются рассмотрением условий нагружения в упругой стадии деформирования.

Разрушение конструкции, вызванное обширной пластической деформацией и выпучиванием, происходит при критических напряжениях растяжения и сжатия. Выпучивание обычно связано также с пластическими деформациями. Обширная пластическая деформация и выпучивание обусловливают критерий предельной прочности. Из-за сложного характера напряженного состояния корпусных конструкций упругопластическое выпучивание принимает очень сложные формы. Деформации в конструкциях и внутренние напряжения, вызванные сваркой, оказывают различное влияние на сопротивляемость конструкций действующей нагрузке.

Выполнение всех требований при расчете критерия не дает абсолютной гарантии, что повреждения в корпусных конструкциях во время эксплуатации не возникнут.

Дальнейшее совершенствование принципов нормирования общей прочности корпуса невозможно без уточнения физических и количественных представлений о фактических предельных состояниях конструкций судна.

Поправочные коэффициенты k1, k2, k3 в вышеприведенной формуле для определения kпр учитывают следующие факторы:

  • k1 — влияние на общую предельную прочность корпуса дополнительных составляющих волновой нагрузки — горизонтального и крутящего моментов;
  • k2 — влияние на прочность суммы трех компонентов динамических изгибающих моментов;
  • k3 — изменение массы конструкций.

Как предлагают считать Нормы прочности 1991 г., проверка общей продольной прочности корпуса по предельному состоянию должна показать, что как при прогибе корпуса судна с грузом и в балластном переходе на волне, так и при его перегибе отношение предельного изгибающего момента к наибольшему расчетному суммарному изгибающему моменту удовлетворяет условию:

(Мпр/Мр)=Мпр/(МВmax+МУ+МТ.В)Kminkк,

где:

  • Кmin — минимальный коэффициент запаса (при прогибе корпуса Кmin = 1,15, при перегибе корпуса Кmin = 1,25).

Коэффициент kmin при перегибающих моментах больше единицы, а при прогибающих моментах всегда равен единице. Все коэффициенты приведены в Нормах прочности.

Хрупкое разрушение корпусных конструкций, так же как и усталостное, можно предотвратить выбором надлежащего материала, правильным проектированием конструкций корпуса судна и хорошим качеством их изготовления. Дефекты сварки и газовой резки, а также конструкции с большой концентрацией напряжений служат источником возникновения первоначальных трещин в результате как хрупкого, так и усталостного разрушений. Установить причины первоначального появления трещин бывает весьма трудно и наблюдать за ними в начальный период их появления не удается. Поэтому все физические представления о появлении трещин основываются на результатах испытания образцов, которые проводятся в условиях, отличающихся от реальных, в которых сложные судовые конструкции оказываются в море.

Хрупкое разрушение судовых конструкций происходит обычно из-за быстрого распространения трещин, усталостные же трещины распространяются медленно, однако при соответствующих условиях они в любой судовой конструкции могут превратиться в хрупкие и начать быстро распространяться. Обычно причиной разрушения конструкций, происшедшего на очень сильном волнении, при ударных нагрузках и при очень низких температурах является хрупкое разрушение. По внешнему виду трещины при хрупком и усталостном разрушениях судовых конструкций совершенно одинаковы.

В связи с тем, что сказано о хрупкой прочности, вполне возможно многие хрупкие повреждения принимать за усталостные. Однако во многих случаях усталостные повреждения трудно перепутать с хрупкими.

Использование критерия усталостной прочности при общем продольном изгибе имеет целью ограничение уровня общей циклической напряженности продольных связей, который при обычном качестве материала, конструктивном оформлении и изготовлении гарантировал бы в течение определенного времени эксплуатации судна отсутствие опасных усталостных повреждений. Конечно, при выполнении этих требований полностью нельзя исключить появления опасных состояний, но можно дать определенную гарантию непоявления усталостных повреждений.

Согласно Нормам прочности 1991 г., критерий усталостной прочности проверяют по весьма сложным зависимостям.

Хорошо известно, что на усталостную долговечность оказывают определенное влияние динамические нагрузки. Установлено, что влияние, например, днищевого слеминга может быть значительным лишь для судов со сравнительно небольшими размерами (L ≤ 150+160 м) при плавании на волнении с высотой волн 5—6 м и достаточно высоких скоростях движения (Fr ≥ 0,12÷0,15), а волновая вибрация может существенно влиять на продольную прочность только при очень большой длине судов. Увеличение интенсивности ударных нагрузок для судов с большими скоростями способствует повышению роли критерия предельной прочности.

Стандарт общей продольной прочности и современные требования к ней

Стандарт общей прочности определяет величину необходимого момента сопротивления расчетного сечения корпуса судна, при котором обеспечивается его способность сопротивляться внешним силам, гарантируется его достаточная прочность при общем продольном изгибе и безопасность плавания в наиболее сложных условиях плавания. Момент сопротивления рассчитывают для двух уровней: верхней палубы и основной плоскости.

Шторм в океане
Штормовое волнение в океане
Источник: Foter.com

Минимальный момент сопротивления (обычно для верхней связей поперечного сечения корпуса) — одна из основных величин, характеризующих общую продольную прочность корпуса.

Основой для оценки общей продольной прочности до 1950 г. служили требования классификационных обществ, разработанные с использованием стандарта общей прочности, принятого Международной конвенцией о грузовой марке 1930 г. Развитие положений стандарта в начальный период строительства судов из стали происходило на основании опыта их эксплуатации довольно интенсивно. Постепенно стандарт уточнялся, хотя по-прежнему базировался на слабо разработанных теоретических положениях и, как прежде, — на накопленном опыте эксплуатации многочисленных судов. Волновые изгибающие моменты оставались условными, получаемыми в результате статической постановки судна на регулярную трохоидальную волну.

Рекомендуется к прочтению: Общий продольный изгиб и общая продольная прочность корпусных конструкций судна

В 1966 г. была заключена новая Международная конвенция о грузовой марке, разрешавшая устанавливать свой стандарт самими классификационными обществами, меняя его по мере появления возможностей для его уточнения. В результате современные требования к общей прочности претерпели существенные изменения благодаря уточнению современными методами внешних сил и вызываемых ими напряжений в конструкциях. Большую роль сыграл анализ повреждений конструкций и особенно после перехода от клепаного к сварному судостроению, расширения зон эксплуатации и создания судов новых конструктивных типов, позволяющих решать современные транспортные задачи.

При их решении все в большей степени использовались расчетные методы. Были созданы специальные Нормы прочности, необходимые для проектирования судов новых типов, работающих в необычных условиях эксплуатации и перевозящих необычные грузы на судах, имеющих высокие скорости и своеобразные обводы корпуса.

Впервые в мировой практике в 1958 и 1962 гг. были разработаны Нормы прочности морских судов, вызвавшие большой интерес за границей. Они были составлены на основе условных методов оценки внешних сил. Позже эти Нормы регулярно дорабатывались. Однако не все поставленные задачи решены. Остается много вопросов, вызывающих сомнение, нет уверенности, что все задачи решаются с достаточной достоверностью. Некоторые сомнения вызывают и используемые критерии прочности, а также ряд положений Норм и Правил. Дискуссии и исследования по этим вопросам позволяют постепенно усовершенствовать их. Интересно, что в разных государствах они заметно отличаются друг от друга.

Основной задачей при проектировании конструкций корпуса судна является обеспечение заданного уровня надежности их работы в течение всего срока эксплуатации с учетом износа и коррозии в различных условиях, и не только средних величин, но и отдельных конструкций, расположенных в разных районах корпуса. Особое значение учет износа корпусных конструкций имеет при проектировании ледоколов и судов ледового плавания.

Несмотря на достигнутые результаты научных исследований, практические потребности мореплавания не всегда своевременно находят отражение в Правилах. Известны многочисленные примеры, когда очевидные рациональные приемы конструирования корпусных конструкций после их модернизации долгие годы не учитываются в Правилах. В результате дефектные конструкции появляются на новых судах и после их повреждений подвергаются реконструкции. Во многих случаях наличие таких конструкций чревато возникновением серьезных аварий, которые иногда могут привести к гибели судов.

Влияние изменения материала по высоте на момент сопротивления поперечного сечения корпуса

Связи обшивки и набора, имеющие достаточную протяженность по длине корпуса относительно рассматриваемого поперечного сечения, образуют сечения определенной формы и площади (см. рис. 3). Отдельные связи на разных судах располагаются по- разному. Например, суда с широким раскрытием палуб в верхней части сечения (эквивалентного бруса) имеют только два узких пояска вдоль бортов (палубные стрингеры), а в нижней части — днищевую обшивку и настил второго дна, состоящие из листов, подкрепленных продольными балками набора (см. рис. 5). Танкеры без двойных бортов и двойного дна имеют одну палубу без отверстий по всей ширине судна. При проектировании необходимо учитывать особенности судна, расположить продольные связи и выбрать системы набора отдельных перекрытий так, чтобы конструкции при их минимальной массе обеспечивали необходимую величину момента сопротивления поперечных сечений для восприятия действующих в них изгибающих моментов.

Почти на всех судах на всей их длине от первой носовой поперечной переборки — форпика — до последней переборки в корме — ахтерпика устраивают двойное дно, ограничивающее невысокие объемы (обычно 1,5—2 м), в которых размещают цистерны для топлива и балласта. Наличие двойного дна при посадке на мель и повреждении днищевых конструкций благодаря непроницаемости второго дна обеспечивает сохранность грузов в трюмах и непотопляемость судна.

Наличие двойных корпусов (двойного дна и двойных бортов) при авариях обычно предотвращает утечку жидких грузов через пробоины.

На рис. 10 можно видеть поперечные сечения судов, конструкции которых имеют разное функциональное назначение.

Поперечные сечения судов
Рис. 10 Распределение основных продольных связей в поперечном сечении судов разных типов: а — судно с широким раскрытием палубы; б — танкер с двойным дном, бортами и палубой; в — сухогрузное судно

На судах с двойными корпусами при заполнении цистерн балластом увеличивается осадка и обеспечивается необходимая остойчивость при качке.

Суда разного типа кроме обязательной верхней непроницаемой палубы, предотвращающей попадание воды внутрь корпуса сверху, в зависимости от назначения имеют еще несколько промежуточных проницаемых палуб для размещения генеральных грузов, колесной техники и выделения пассажирских помещений. Палубы судов могут быть сплошными на сухогрузах при горизонтальной пакетной погрузке—выгрузке и на танкерах, а также с вырезами для вертикальной погрузки в виде люков, закрывающихся сдвигающимися крышками.

В последнее время все чаще строят суда с широким раскрытием палуб, облегчающим грузовые операции без перемещения грузовых мест в трюмах.

Все суда, перевозящие укрупненные грузовые места в виде контейнеров, лихтеров и пакетов, имеют обычно одну, только верхнюю, палубу, почти полностью вырезанную люками. Крышки, закрывающие палубу, не могут обеспечивать прочность судна при общем изгибе, верхний поясок поперечного сечения корпуса состоит только из площади палубы у бортов и некоторого числа подпалубных продольных связей. Поперечное сечение представляет собой как бы открытую сверху балку, нейтральная ось которой при одинаковых толщинах обшивки и площади продольных балок располагается ближе к днищу (см. рис. 10, а), в результате чего напряжения в палубе от общего продольного изгиба будут больше, чем в днище.

Напряжения в днище и верхней палубе от общего изгиба на судне с рассмотренным поперечным сечением и танкере, у которого палуба не имеет вырезов (см. рис. 10, б) и выполнена из толстых сплошных листов с набором, будут разными. При отсутствии двойной палубы напряжения от общего изгиба в палубе и днище хотя и не равны, однако будут отличаться незначительно. Для того чтобы напряжения в палубе и днище от общего изгиба отличались возможно меньше, целесообразно у судна с широким раскрытием палуб увеличивать верхний поясок поперечного сечения путем включения в работу надпалубных конструкций, таких как непрерывные продольные комингсы, фальшборты, продольные межлюковые перемычки (при парных люках), надпалубные коридоры и цистерны. Необходимо делать толще палубные листы по сравнению с листами днища и настила второго дна, подкрепляя их продольными ребрами, если их устойчивость обеспечена даже без набора (рис. 11).

Чертеж судового мидель-шпангоута
Рис. 11 Мидель-шпангоут атомного лихтеровоза для Арктики «Севморпуть».
В = 32,2 м; Н = 18,3 м

Таким образом, оптимальные соотношения размеров и площадей верхнего и нижнего поясков расчетных поперечных сечений корпуса судна при общем продольном изгибе обеспечиваются в зависимости от конструктивного типа судна с учетом коррозии и износа, а также используемых материалов.

Верхний и нижний пояски поперечного сечения корпуса привлекаются к совместной работе бортами, являющимися как бы стенкой составного профиля.

Толщина обшивки борта (стенки) должна удовлетворять условиям прочности при действии перерезывающих сил и местных нагрузок:

  • от давления воды;
  • при швартовке;
  • движении во льдах и ударах волн.

Верхний и нижний пояски поперечного сечения состоят не из одних листов, в них входят и балки продольного набора. Поэтому одну часть площади материала из общей площади поясков необходимо выделить на настилы и обшивку (листы), а другую часть — на балки продольного набора. При этом необходимо определить расстояние между отдельными связями набора, площадь их поперечного сечения и толщины подкрепляемых этим набором листов наружной обшивки, а также листов настилов второго дна и палубы с учетом обеспечения устойчивости листов и самого продольного набора и их местной прочности.

Решая задачу рационального определения материала по поперечному сечению, необходимо оценивать влияние изменения площади сечения и положение отдельных связей продольного набора надпалубных конструкций, таких, например, как:

  • непрерывные продольные комингсы;
  • фальшборты;
  • продольные стенки надстроек, рубок и капов, на момент сопротивления расчетного поперечного сечения корпуса судна.

Далее будет проанализирована роль отдельных, только что упомянутых конструкций в обеспечении общей продольной и местной прочности корпуса, а сейчас рассмотрим общие вопросы влияния изменения площадей поперечных сечений отдельных продольных связей. Такие исследования для морских клепаных судов раньше были выполнены проф. Н. Е. Путовым и для речных судов проф. И. Н. Сиверцевым.

Влияние незначительного изменения площадей поперечного сечения связей, входящих в состав поперечного сечения корпуса судна, на момент сопротивления, или, что то же самое, на величину напряжений от общего продольного изгиба, проф. П. Ф. Папкович предложил определить по выражению:

WW=FF0c2F0I0+czi,

где:

  • W — момент сопротивления расчетного поперечного сечения корпуса для связи, которая располагается на расстоянии zi от НО этого сечения;
  • ΔW — приращение момента сопротивления для той же связи;
  • I0 — первоначальный момент инерции поперечного сечения корпуса относительно нейтральной оси сечения;
  • F0 — первоначальная площадь того же сечения;
  • ΔF — изменение поперечной площади сечения корпуса;
  • с — расстояние от нейтральной оси сечения новой связи (с приращением ΔF).

Знак отношения c/zi — плюс, если площадь добавляется относительно НО в той части сечения, где располагается связь, момент сопротивления которой рассчитывается. Знак минус берется в противоположном случае.

При выполнении расчетов конструкторов интересует влияние небольших изменений площадей связей поперечного сечения на величину моментов сопротивления, наиболее удаленных от НО связей. Поэтому имеет смысл преобразовать предыдущую формулу к виду:

W/W=(F/F)φ,

где:

  • F — первоначальная площадь связи поперечного сечения корпуса до ее изменения;
  • φ=FF0cp2+cz; p=I0/F

    — радиус инерции.

Для разных типов судов р меняется незначительно: для сухогрузных р ≈ 0,4, а для танкеров р = 0,42÷0,43. Тогда ΔW/W= (ΔF/F)φ.

В монографии проф. Я. И. Короткина приводятся примеры определения φ для сухогрузных судов и танкеров при введении поправок к площадям днища, верхней палубы и второго дна.

Установка дополнительных конструкций, расположенных выше верхней палубы, по-разному влияет на момент инерции поперечных сечений корпуса судна. Если надпалубные конструкции имеют достаточно большую длину, прочно соединяются с основным корпусом (корпус до верхней палубы) и привлекаются к общему продольному изгибу, повторяя изгиб корпуса судна, а не прогибаются в результате внецентренного сжатия и растяжения внутрь корпуса, то они работают всей площадью своего сечения. Это может наблюдаться, когда жесткость палубных перекрытий достаточна для предотвращения их деформаций внутри корпуса.

Для приближенной оценки влияния на общую продольную прочность дополнительной установки надпалубных связей, повторяющих изгиб основного корпуса, акад. Ю. А. Шиманский предложил свою методику. Установлено, что такие надпалубные связи могут оказывать на общую продольную прочность как положительное, так и отрицательное влияние. При установке новых надпалубных связей необходимо, чтобы момент сопротивления наиболее удаленных от НО сечения волокон был равен моменту сопротивления верхней палубы основного корпуса до установки надпалубных связей или больше него: Wн ≥Wп.

Допустим, что при отсутствии надпалубных продольных связей наибольшие нормальные напряжения от общего изгиба в листах верхней палубы определяются по формуле:

σn=(Mp/I0)zп,

где:

  • Mp — расчетный момент от общего продольного изгиба корпуса, действующий в рассматриваемом поперечном сечении;
  • I0 — момент инерции того же сечения до установки надпалубных продольных связей;
  • zп — расстояние от НО сечения до верхней палубы.

Если пренебречь по малости влиянием смещения НО поперечного сечения после установки надпалубных связей и собственным моментом инерции поперечных сечений вновь установленных продольных связей, то можно получить зависимость для определения максимальных нормальных напряжений, действующих в поперечном сечении корпуса:

σн=MpI0+f(zп+zн)2 (zп+h),

где:

  • h, f и zн — максимальная высота надпалубных связей относительно верхней палубы, их площадь поперечного сечения и отстояние ЦТ этих связей от верхней палубы.

Величина отношения напряжения:

σнσп = 1+h/zп1+fzп+zн2/I0·σнσп.

Если f(zп+zн)²/I0 = h/zп

, то установленные надпалубные продольные связи не оказывают влияния на изменение максимальных нормальных напряжений, действующих в поперечном сечении от общего продольного изгиба; действительно, σн = σп. Это значит, что напряжения в наиболее удаленном волокне вновь установленных надпалубных продольных связей будут такими же, какими они были в верхней палубе до установки этих связей. Так как нормальные напряжения в верхней палубе σп при проектировании поперечного сечения берутся близкими к допускаемым σдоп

, в крайнем волокне самой высокой вновь установленной надпалубной связи напряжения также будут близки к допускаемым.

Если же f(zп+zн)²/I0 = h/zп

, то установка надпалубных связей создает условия, при которых σн > σп

, и, если σп = σдоп

, то σн

теперь будут больше допускаемых, поэтому, чтобы сохранить их в допускаемых пределах, потребуется увеличивать площадь сечения верхней палубы или площадь поперечного сечения надпалубных конструкций. Таким образом, после установки надпалубных продольных связей во втором случае прочность корпуса как бы уменьшилась.

Наконец, если f(zп+zн)²/I0 = h/zп

, то σп

и σн

меньше σдоп

, и есть возможность размеры поперечного сечения корпуса судна уменьшить, т. е. установка дополнительных надпалубных продольных связей как бы приведет к увеличению прочности.

Вышеизложенные рассуждения позволяют считать, что при постепенном увеличении площади поперечных сечений корпуса судна за счет установки надпалубных продольных связей с некоторого момента они оказывают положительное влияние на прочность корпуса при его общем изгибе. Нормальные напряжения в наиболее удаленных от НО волокнах надпалубных продольных связей становятся меньше, чем они были в верхней палубе до установки этих связей. Это позволяет уменьшить площадь сечения продольных связей верхней палубы (листы палубного настила и продольные ребра).

Предлагается к прочтению: Восприятие корпусными конструкциями внешних нагрузок, действующих на судно

Целесообразно, чтобы все продольные надпалубные связи участвовали в общем продольном изгибе своей полной площади, т. е. с помощью конструктивных мероприятий обеспечивать их совместный изгиб с основным корпусом.

Приведенные выше выводы сделаны на основе предположения, что все продольные связи, входящие в поперечные сечения корпуса, выполнены из материала с одинаковым модулем нормальной упругости Е. Для любой стали он равен Е = 2·106кг/см² (2·105МПа). Если надстройки и рубки изготовляют из более легких, чем сталь, алюминиево-магниевых сплавов, имеющих Е значительно меньше, чем у нее, то в расчетах надо учитывать разницу модулей нормальной упругости стали основного корпуса Ек и легких сплавов надпалубных конструкций Ес.

В случае установки надпалубных конструкций, играющих отрицательную роль в обеспечении общей продольной прочности корпуса, т. е. когда справедливо неравенство f(zп+zн)²/I0 < h/zп, увеличение момента инерции всего поперечного сечения приводит к уменьшению напряжений в палубе в районе установки надпалубных продольных связей, однако увеличение напряжений в крайних волокнах надпалубных связей создает опасность нарушения прочности корпуса. Этой опасности можно избежать путем установки надпалубных связей из более прочного материала, который позволит воспринять действующие повышенные напряжения. На практике это обычно делается путем соблюдения соотношения пределов текучести стали основного корпуса и более прочного материала надпалубных конструкций:

σTσT1+(h/zп)1+f(zп+zн)2/I0.

При выводе приведенных в данном варианте формул предполагалось, что площади сечений надпалубных связей имеют небольшую величину, и для более точной оценки их влияния на напряжения от общего продольного изгиба необходимо пользоваться обычной расчетной схемой, используемой для расчета эквивалентного бруса в табличной форме (см. табл. 1).

Из расчета корпуса при общем продольном изгибе не следует произвольно исключать надпалубные конструкции, даже если в них устраиваются подвижные соединения. Они в любых условиях изгибаются вместе с корпусом.

Неоднократно было показано, что подвижные соединения в рубках и фальшбортах, устанавливаемые с целью исключения надпалубных конструкций, создают дополнительные трудности при постройке и эксплуатации судов и можно обойтись без них. Рубки при большой ширине всегда оказывают положительное влияние на общую прочность корпуса, и выполнение подвижных (расширительных) соединений с целью исключения рубок из работы не рационально, а только создает прерывистые связи, по концам которых в палубе возникает опасная концентрация напряжений, которая часто приводит к возникновению трещин.

Подвижные соединения в фальшбортах с прорезью (подвесные фальшборты) также служат причиной многочисленных повреждений, и их целесообразно жестко присоединять к ширстреку.

Роль надпалубных конструкций (надстроек, рубок, продольных комингсов, фальшбортов) при общем изгибе корпуса

Проверка общей продольной прочности судна должна проводиться для поперечных сечений не только на миделе, но и в других характерных сечениях по длине судна, где поперечные сечения резко меняют свою форму или меняются толщины и расположение связей, входящих в состав расчетного сечения. Такие изменения особенно характерны для судов с надстройками и рубками, имеющими достаточную протяженность для включения их в работу при общем продольном изгибе или при наличии в верхней палубе одиночных вырезов.

Надстройки и рубки, изгибающиеся вместе с корпусом, изменяют форму расчетного сечения за счет включения в него новых связей, и напряжения в палубе под надстройками в результате этого могут значительно уменьшаться. Надстройки, являющиеся продолжением бортов, всегда изгибаются с корпусом одинаково, поэтому при их достаточной длине они могут при общем изгибе играть положительную роль. Такую же роль играют рубки, если под ними располагаются конструкции, препятствующие изгибу в сторону, обратную изгибу основного корпуса (рис. 12). Таким образом, как надстройки, так и рубки в этих случаях являются частью расчетного сечения, и нормальные напряжения по их высоте распределяются пропорционально расстоянию от НО.

Схема одноярусной надстройки и рубки судна
Рис. 12 Одноярусная надстройка и рубка, увеличивающие высоту поперечного сечения и способствующие уменьшению напряжений под надстройкой

Совсем по-другому будут работать рубки, которые в результате внецентренного приложения усилий, привлекающих их вместе с палубой к изгибу со всем корпусом, могут прогнуть палубные перекрытия и прогнуться сами в сторону, обратную изгибу основного корпуса.

При малой длине надстроек и рубок они включаются в общий продольный изгиб в корпусе судна частично, однако во всех случаях необходимо уделять внимание концентрации напряжений по их концам и создавать условия для их уменьшения, в том числе и с помощью подвижных соединений.

Степень участия рубок в общем продольном изгибе корпуса судна зависит от яруса, в котором она располагается. Обычно рубки имеют несколько ярусов. Первый ярус рубки, расположенный на верхней палубе, может работать как надстройка, боковые стенки которой являются продолжением бортов. Действительно, продольные стенки рубок отстоят от бортов на незначительные расстояния и опираются на многочисленные высокие бимсовые концы и на вторые борта. Поэтому они не прогибаются внутрь судна и могут работать в составе корпуса, подобно надстройкам. Однако это, как показывают натурные эксперименты, справедливо только для первого яруса рубок.

Рубки, ширина которых по сравнению с шириной судна намного меньше, при значительной их длине, включаясь в общий продольный изгиб в корпусе судна в условиях внецентренного растяжения или сжатия, могут вместе с палубным перекрытием гнуться в противоположную сторону. Поэтому площади поперечных сечений продольных связей таких рубок в составе расчетного сечения должны учитываться с редукционным коэффициентом меньше единицы. Однако если прогибу рубки мешают поперечные или продольные переборки, расположенные внутри основного корпуса, то такая рубка может полностью включаться в состав расчетного поперечного сечения.

Степень участия в общем продольном изгибе надстроек и рубок, а также продольных прерывистых (разрезанных) и непрерывных комингсов Нормы прочности рекомендуют определять расчетным путем.

Для одноярусных надстроек постоянного по длине сечения, а также рубок, опирающихся на три поперечные переборки, продольные переборки или бортовые подвесные цистерны, допускается включать в состав поперечного сечения их продольные связи в соответствии с рис. 13, а именно: площади сечения стенок и продольных переборок включают пропорционально расстоянию от конца надстройки под углом 15 °, а площади сечения палубы надстройки — под углом α, который определяется по формуле:

a=arctgδСТ+σП14t,

где:

  • t — толщина палубы надстройки;
  • δст — толщина продольной стенки надстройки;
  • σп — суммарная толщина внутренних продольных переборок.

Непрерывные продольные комингсы грузовых люков при эшелонном однорядном их расположении включают в площадь поперечного сечения при расчете общей продольной прочности полностью, если они непрерывны по длине на расстоянии не менее трех собственных высот в нос и корму от расчетного сечения и опираются по их длине не менее чем на три жесткие поперечные связи. Степень участия в общем изгибе разрезных продольных комингсов определяют расчетным путем.

Установка судовой надстройки
Рис. 13 Включение в работу надстройки при общем продольном изгибе корпуса. 1 — палуба надстройки; 2 — кница; 3 — эпюра изгибающих моментов

О роли фальшбортов в общем продольном изгибе корпуса можно сказать следующее. Фальшборты с прорезью (подвесные) обладают рядом недостатков. Последние исследования конструктивной прочности свидетельствуют о целесообразности использования фальшбортов в качестве надпалубных непрерывных продольных связей, полностью принимающих участие в общем продольном изгибе корпуса. Для этого листы фальшбортов следует приваривать к верхней кромке ширстрека или составлять один лист вместе с ширстреком. Для стока больших масс воды, появляющихся на верхней палубе во время шторма, в листах фальшборта надо выполнять вырезы — штормовые портики, которые, как прочие вырезы в связях корпуса, следует подкреплять с целью снижения концентрации напряжений. Эти подкрепления одновременно должны компенсировать потерю части площади фальшборта при образовании вырезов.

Практика эксплуатации судов показала, что замена фальшбортов, присоединяемых к выступающей кромке ширстрека (как это делалось на клепаных судах), фальшбортами с прорезью было ошибочным решением, о чем подробно сказано в ряде наших работ.

Конструктивные меры по рациональному размещению материала на судах с широкими люками (открытые суда)

Широкое раскрытие палуб становится обязательным конструктивным решением для большинства сухогрузных судов с вертикальным способом проведения грузовых операций, поскольку оно позволяет выполнять грузовые операции в трюмах без перемещения грузовых мест к бортам и поперечным переборкам. Это создает некоторые трудности для рационального распределения материала в верхнем пояске эквивалентного бруса. Действительно, вместо нескольких палубных поясьев остаются только палубные стрингеры у бортов. Для того чтобы в какой-то степени увеличить верхний поясок расчетного поперечного сечения, необходимо установить дополнительные продольные связи. Конструктивные меры, которые необходимо принять для этой цели, должны быть рассмотрены еще при проектной разработке типа судна. Формировать верхний поясок поперечного сечения корпуса судов различных конструктивных типов можно по-разному.

У судов для перевозки наливных грузов, а также у других судов со сплошной верхней палубой площадь верхнего пояска может быть увеличена за счет утолщения поясьев палубного настила, ширстрека и подкрепляющих их продольных ребер. Это можно делать и в случае, когда установка ребер не требуется для увеличения эйлеровых напряжений листов. Толстые листы обладают и без продольных ребер достаточной устойчивостью.

У судов с широким раскрытием палуб увеличить верхний поясок расчетного поперечного сечения особенно трудно. Этого можно достигнуть утолщением палубных стрингеров, установкой подпалубных коридоров или подпалубных цистерн, утолщением верхних поясьев вторых бортов, установкой непрерывных продольных комингсов, опирающихся на вторые борта, а также приваркой непрерывных фальшбортов к ширстреку.

Будет интересно: Корпус судна и предъявляемые к нему требования

Сухогрузные суда с широким раскрытием палуб могут иметь парные или строенные по ширине люки, что обеспечивает надежное опирание люковых крышек, позволяет уменьшить их размеры и снизить общую массу корпуса. При этом возникает необходимость в дополнительных продольных комингсах, которые между соседними рядами люков могут образовывать продольные балки. Если в трюмах их подпереть рядами пиллерсов, то степень участия продольных балок в обеспечении общей продольной прочности корпуса судна значительно увеличится. Таких надпалубных балок, состоящих из двух соседних продольных комингсов, при парных люках будет одна (в ДП), а при строенных люках — две.

Судно на волнении
Судно в открытых водах на слабом волнении

Надпалубные конструкции, состоящие из фальшбортов, крайних продольных комингсов и одной или двух конструкций, образуемых двумя соседними продольными комингсами, играют положительную роль в обеспечении общей продольной прочности судна при изгибе его как целой балки в продольной вертикальной плоскости.

Для контейнеровозовСамый большой контейнеровоз с целью увеличения степени участия в общем изгибе балок, образованных непрерывными продольными комингсами соседних рядов люков, в трюмах устанавливают продольные проницаемые переборки.

При определении момента сопротивления поперечных сечений корпуса по Правилам Регистра учитывают все непрерывные продольные связи (в том числе и надпалубные) при условии, что они эффективно поддерживаются продольными переборками (и продоль­ными переборками подпалубных цистерн, и вторыми бортами).

Продольные межлюковые перемычки в виде участков палуб с продольным подпалубным набором и продольные комингсы, не поддерживаемые продольными переборками, при определении момента сопротивления поперечного сечения корпуса засчитываются только частично, так как они работают недостаточно эффективно.

Сноски
Sea-Man

Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter

Сентябрь, 09, 2020 150 0
Читайте также