Некоторые вопросы проектирования и постройки корпусов доков

Проектирование доков – процесс определения архитектуры, компонентов, интерфейсов и других характеристик системы или её части. Результатом проектирования является проект — целостная совокупность моделей, свойств или характеристик, описанных в форме, пригодной для реализации системы.

Особенности разработки рабочих чертежей и технологии постройки плавучих доков

При разработке рабочих чертежей корпуса и технологии постройки плавучих доков возможна широкая унификация конструкций. Так, в корпусе дока можно унифицировать листы и полотнища наружной обшивки, внутренних стенок башен, палуб, поперечных и продольных переборок; фермы башен и понтонов, торцовые переборки понтонов; продольные ребра жесткости, рамы набора; привальные брусья, кронштейны и кницы галерей и т. д. (рис. 1).

Это позволяет выпустить для цилиндрической части дока всего один чертеж со спецификацией, состоящей из унифицированных конструкций, и альбомом унифицированных деталей и узлов. Рекомендуется заказывать по одному размеру листов каждой необходимой толщины и по одной длине полос каждого необходимого профиля.

Испытание корпусов доков на непроницаемость

Испытание головных доков производится наливом отсеков до спуска дока на воду, причем высота напора определяется перепадом давлений по диаграмме затопления. Если условия нагрузки на стапель позволяют, можно одновременно испытать переборки всех отсеков наливом воды в «шахматном» порядке (рис. 2). Днище и палубу остальных отсеков можно испытать надувом воздуха.

В тех случаях, когда по условиям балластировки в отсеках дока создаются воздушные подушки, балластные отсеки рекомендуется испытывать рабочим воздушным давлением, но не менее чем 0,3 атм (при условии обеспечения прочности конструкций).

Предлагается к прочтению: Вопросы теории корабля и технические графики

Кроме испытаний корпуса на непроницаемость, в процессе постройки докаКонструкции и проектирование корпусов плавучих доков (после спуска) производится испытание его на прочность специальной балластировкой. Иногда эти испытания совмещают с испытаниями по пробному погружению. Перед испытаниями разрабатывают схему балластировки, чтобы получить к концу откачки расчетные изгибающий момент, перерезывающие силы и стрелку прогиба.

Оптимальное положение нейтральной оси

Для решения системы двух уравнений с двумя неизвестными (δ₀ — толщина днища; δ₁ — толщина топ-палубы), выражающих равенство нулю статического момента и равенство момента сопротивления эквивалентного бруса корпуса заданному, требуется знать положение нейтральной оси и толщины связей, назначаемых по условиям местной прочности или по другим соображениям.

Положение нейтральной оси эквивалентного бруса корпуса монолитного дока может быть задано исходя из следующих ниже соображений.

Местные напряжения от изгиба связей второй категории в понтоне дока можно принять равными нулю, вследствие того, что длина понтона, как правило, в 5—6 раз больше ширины, т. е. понтон изгибается по цилиндрической поверхности. Допускаемые суммарные напряжения в связях третьей и четвертой категорий значительно выше допускаемых напряжений от общего изгиба. Поэтому допускаемые напряжения от общего изгиба в топ-палубе и днище могут быть приняты одинаковыми. Следует учесть лишь, что днище дока находится в плоском напряженном состоянии в результате совместного продольного и поперечного изгиба и за допускаемые следует принимать приведенные напряжения.

Принимая допускаемые приведенные напряжения в обоих направлениях (продольном и поперечном) одинаковыми, получим (в случае если напряжения будут суммироваться арифметически):

${\sigma }_1^{доп} = {\sigma }_{прод}^{доп} + \mu {\sigma }_{попер}^{доп},$

${\sigma }_2^{доп} = {\sigma }_{попер}^{доп} + \mu {\sigma }_{попер}^{доп}.$

Вычитая одно уравнение из другого и полагая

${\sigma }_1^{доп} = {\sigma }_2^{доп} = {\sigma }_{доп}.$

получим

${\sigma }_{прод}^{доп} = {\sigma }_{попер}^{доп} = \frac{{\sigma }_{доп}}{1 + \mu }.$

Следовательно, минимальное отстояние днища от нейтральной оси

и максимальное отстояние топ-палубы от нейтральной оси

должны так относиться между собой:

$\frac{h_1^{max}}{h_0^{min}} = 1 + \mu ,$

а минимальное отстояние нейтральной оси корпуса дока от днища будет:

$h_0^{min} = \frac{H}{2 + \mu } = \frac{H}{2,3} = 0,435H. Форм. IV. 5$

Как видно из вывода формулы, такое положение нейтральной оси должно иметь место только в том случае, если напряжения от изгиба дока в обоих направлениях будут суммироваться арифметически, т. е. когда сами напряжения будут иметь разные знаки. Это может быть только при постановке в док очень длинных судов или при положении дока на подошве волны (в этом случае док от продольного изгиба прогнут, а от поперечного — перегнут). Однако такое сочетание нагрузок является редким, и каждая из них не является для дока предельно допустимой.

Более реальным является такое положение, когда док прогнут в обоих направлениях под действием реакций килевой дорожки от поставленного в диаметральной плоскости «короткого» судна. В этом случае арифметическое суммирование напряжений имеет место в стапель-палубе. Составляя для приведенных напряжений в стапель-палубе аналогичную систему уравнений, получим следующую формулу для отстояния нейтральной оси от днища:

$\frac{H – h_{п}}{2 + \mu } = h_0^{opt} – h_{п},$

откуда

$h_0^{opt} = \frac{H + (1 + \mu )h_{п}}{2 + \mu }. Форм. IV. 6$

Из формул следует, что чем больше высота понтона, тем выше должно быть оптимальное положение нейтральной оси. Очевидно, что нейтральная ось не может располагаться выше середины высоты дока, т. е.

$0,435H ⩽ h_0^{opt} ⩽ 0,50H.$

Соответствующая максимально высокому положению нейтральной оси дока высота понтона равна

$\frac{1 + \mu }{0 + \mu } h_{п}^{max} = 0,50H – \frac{1}{2 + \mu }H = (0,500 – 0,435)H,$

$h_{п}^{max} = \frac{0,065}{0,565} H = 0,115H.$

Таким образом, оптимальное положение нейтральной оси дока назначается исходя из следующего:

1. при разных знаках напряжений в днище от продольного и поперечного изгибов оптимальная высота нейтральной оси является минимальной:

$h_0^{min} = 0,435H;$

2. при одинаковых знаках напряжений в днище от продольного и поперечного изгибов следует различать два случая:

• а) если высота понтона не превосходит величины

  $h_{п }=0,115H,$

  оптимальная высота нейтральной оси определяется по формуле

$h_0^{opt} = \frac{H + (1 + \mu )h_{п}}{2 + \mu };$

• б) если высота понтона равна или больше 0,115H, высоту нейтральной оси желательно назначить как максимально допустимую:

$h_0^{opt} = 0,50H.$

В существующих доках, имеющих относительно небольшую длину (

небольшое отношение

), отстояние нейтральной оси от днища редко превосходило h₀ = 0,40H, вследствие усиления днища по условиям местной прочности.

Определение размеров продольных связей корпуса

Толщины связей корпуса, которые должны входить в уравнения эквивалентного бруса известными величинами, рекомендуется назначать, руководствуясь следующими соображениями.

1 Толщина стапель-палубы может быть определена из условия получения в ней приведенных напряжений, равных допускаемым. Напряжения от общего продольного изгиба в стапель-палубе

${\sigma }_{прод}^{ст.–п} = \frac{{\sigma }_{доп}}{1 + \mu } · \frac{a_{0}H – h_{п}}{a_{0}H}.$

Напряжения от общего поперечного изгиба в стапель-палубе можно приближенно считать равными (без учета переборок и ферм понтона)

${\sigma }_{попер}^{ст.–п} = \frac{m}{{{\delta }_{ст}}_{.–п} h_{п}},$

где

• m — поперечный изгибающий момент на единицу длины понтона;
• h_п — высота понтона;
• δ_ст.-п — толщина стапель-палубы.

Подставляя величины

и

в формулы (σ_доп) и приравнивая приведенные напряжения к допускаемым, получим

${\sigma }_{доп} = \frac{{\sigma }_{доп}}{1 + \mu } · \frac{{\alpha }_{0}H – h_{п}}{{\alpha }_{0}H} + \mu \frac{m}{{\delta }_{ст.–п} h_{п}};$

${\sigma }_{доп} = \mu \frac{{\sigma }_{доп}}{1 + \mu } · \frac{{\alpha }_{0}H – h_{п}}{{\alpha }_{0}H} + \frac{m}{{\delta }_{ст.–п} h_{п}};$

Оба эти выражения решаются относительно δ_ст.-п однозначно, в результате чего получаем следующие выражения для минимальной толщины стапель-палубы:

$\left. \begin{array}{r}{\delta }_{ст.–п}^{min} = \frac{\mu m}{{\sigma }_{доп} h_{п} \left[1 – {\displaystyle \frac{{\alpha }_{0}H – h_{п}}{(1 + \mu ) a_{0}H}}\right]};\\ {\delta }_{ст.–п}^{min} = \frac{m}{{\sigma }_{доп} h_{п} \left[1 – {\displaystyle \frac{\mu }{1 + \mu }}{\displaystyle \frac{{\alpha }_{0}H – h_{п}}{{\alpha }_{0}H}}\right]}.\end{array}\right\} Форм. IV. 7$

По этим выражениям выбирается большая величина δ_ст.-п и, кроме того, проверяется на восприятие наибольшего перепада давлений по диаграмме затопления.

2 Полагая в скобках выражения (IV. 7) величину h_п равной нулю, можно получить минимальную толщину наружной обшивки днища дока из условия продольного и поперечного изгибов (в слу­чае, если напряжения в днище суммируются арифметически):

${\delta }_0^{min} = \frac{(1 + \mu ) m}{{\sigma }_{доп} h_{п}}. Форм. IV. 8$

Эта величина также должна быть проверена на восприятие поперечной нагрузки.

3 Толщина наружной обшивки бортаНаружная обшивка, настил палуб и переборки и внутренних стенок башен должна назначаться исходя из условия восприятия перерезывающей силы и устойчивости при действии касательных напряжений, а также проверяться на восприятие перепада давлений и на удар волны. При этом следует учитывать наличие воздушных подушек в балластных отсеках. Толщина верхних (ширстречных) поясьев наружной обшивки и внутренних стенок башен может быть несколько увеличена для обеспечения устойчивости при действии нормальных напряжений от общего изгиба, но не должна быть больше толщины топ-палубы.

4 Толщина палубы безопасности должна назначаться исходя из условия восприятия давления на нее с учетом воздушных подушек в балластных отсеках, а толщина промежуточных палуб (если они есть), не подверженных гидростатическому давлению, — исходя из условного расчетного напора 0,5 м вод. ст. По условиям сварочных деформаций толщина палуб не должна быть меньше 4 мм при расстояниях между балками набора 600 мм и меньше 5 мм — при больших расстояниях.

Читайте также: Материалы, применяемые в судоремонте

5 Толщина продольных переборок понтонов (днищевых стрингеров) назначается исходя из условий местной прочности и устойчивости при общем изгибе.

При расчете прочности понтонных доков в состав эквивалентного бруса засчитываются только башни, и нейтральную ось располагают по возможности посредине высоты башен.

При определении элементов эквивалентного бруса корпуса дока должны быть учтены вырезы в палубах, так как ширина вырезов (сходов, люков, капов и др.) соизмерима с шириной палуб. В районе этих вырезов должны быть поставлены усиленные листы, уменьшающие концентрацию напряжений в углах вырезов. Толщина усиленных листов и их конфигурация могут быть определены по существующим нормам.

Если вырезы в топ-палубе расположены по длине дока близко один от другого, желательно совместить их в одну линию и установить между ними тонкие листы.

Об оптимальной высоте дока с точки зрения его общей прочности

Минимальная высота дока точки зрения общей прочности не всегда является оптимальной, так как не обеспечивает проектирование корпуса наименьшего веса. Целесообразно определить ту высоту борта дока, при которой вес корпуса будет минимальным. Такой анализ можно произвести путем прямого определения веса корпуса при разной высоте борта при проектировании корпуса для заданного момента сопротивления или путем использования аналитических зависимостей, выведенных для эквивалентного бруса корпуса дока как для «многотавровой» балки.

Приведенные ниже уравнения оптимальной высоты дока как «многотавровой» балки получены Я. Б. Каганером и являются обобщением и уточнением известных зависимостей П. Ф. Папковича — Н. В. Маттес для оптимальной высоты двутавровых балок.

Введем следующие обозначения элементов эквивалентного бруса дока (рис. 3):

• H — высота дока;
• S₀ — площадь днища дока;
• S₁ — площадь топ-палубы дока;
• ω₁ = 2δН — суммарная площадь бортов дока;
• ω₂ = 2δ (H — h₂) — суммарная площадь внутренних стенок башен;
• $\underset{j}{\Sigma } {\omega }_j = {\omega }_3$

  — суммарная площадь продольных переборок понтона;

• δ — толщина стенок башен с учетом продольного набора;

$\left. \begin{array}{r}{\omega }_1^{ʺ} = {\omega }_{1 }+ {\omega }_1^{‘} = 2{\delta }_1^{ʺ}H;\\ {\omega }_2^{ʺ} ={\omega }_{2 }+ {\omega }_2^{‘} = 2{\delta }_2^{ʺ}(H – h_2) \end{array}\right\}$

• приведенные площади борта и внутренних стенок башен с учетом поперечного набора;
• δʺ — приведенная толщина стенок с учетом продольного и поперечного наборов;
• ΣS₂ — площадь стапель-палубы;
• $\sum S\frac{i}{3}$

  — площадь палубы безопасности и других внутренних палуб;

• h₀ = а₀Н — отстояние нейтральной оси от днища;
• h₁ = а₁Н — отстояние топ-палубы от нейтральной оси;
• h₂ — высота понтона у внутренней стенки башни;
• h_i; h_j — расстояния от днища до палубы безопасности и других внутренних палуб (до участков стапель-палубы); высота переборок;
• W₁ — необходимый минимальный момент сопротивления корпуса дока (для топ-палубы).

1 Оптимальная высота монолитного дока при неизвестных площадях днища и топ-палубы S₀ и S₁ и известных прочих величинах определяется кубическим уравнением

$C_3{H}^3 + C_{1}H – C = 0, Форм. IV. 9$

где

$C = \left(\underset{i}{\Sigma } S_i·h_i^2 + \frac{1}{3} \underset{j}{\Sigma } {\omega }_j·h_j^2 – \frac{2}{3} \delta h_2^3\right) \frac{2}{{\alpha }_0{\alpha }_1},$

$C_1 = \frac{W_1}{{\alpha }_0} + \left(\underset{i}{\Sigma }{S}_i·h_i + \frac{1}{2} \underset{j}{\Sigma } {\omega }_j·h_j – \delta h_2^2\right) \frac{1}{{\alpha }_0{\alpha }_1},$

$C_3 =4\delta \left(1 – \frac{1}{6{\alpha }_0{\alpha }_1} \right)– 4\delta ʺ.$

2 В случае, если площадь днища S₀ определяется не из условия общего продольного изгиба, а местной или поперечной прочностью, т. е. при определении H_opt является величиной заданной, оптимальная высота монолитного дока определяется уравнением

${\zeta }_3{H}^3 + {\zeta }_{1}H – \zeta = 0, Форм. IV. 10$

где

${\zeta }_3 = \frac{4\delta }{{\alpha }_1^2} \left(\frac{1}{3} – {\alpha }_0 · {\alpha }_1\right) – 4\delta ʺ;$

${\zeta }_1 = \frac{W_1}{{\alpha }_1} + 2\frac{{\alpha }_0}{u_l^2} \left(\underset{i}{\Sigma }{S}_i·h_i + \frac{1}{2} \underset{j}{\Sigma }{\omega }_j{h}_j – \delta h_2^2\right) ;$

$\zeta = \frac{2}{{\alpha }_1^2} \left(\underset{i}{\Sigma }{S}_i{h}_{{}_i}^2 + \frac{1}{3} \underset{j}{\Sigma }{\omega }_j{h}_{{}_j}^2 – \frac{2}{3} \delta h_2^3\right) .$

3 Для самодокующихся доков с разрезными понтонами за величину S₀ следует принимать площадь днища башен. В этом случае при решении уравнений (IV. 9) или (IV. 10) площади продольных связей разрезных понтонов, не участвующих в общем изгибе дока, принимаются равными нулю, т. е.

$S_2 = h_2 = {\omega }_3 = 0.$

Так как днище башен не нагружено другими усилиями, кроме усилий от продольного изгиба, нейтральную ось рекомендуется располагать посредине высоты башен, т. е. а₀ = а₁ = 0,5.

Рекомендуется к прочтению: Ремонт корпусных конструкций и судовых устройств

4 Уравнения (IV. 9) и (IV. 10) легко решаются графически, для чего их удобно привести к виду

$K_3{H}^3 + K = H. Форм. IV. 11$

В табл. 1 вычисляется несколько значений (обычно три-четыре) левой части уравнения при значениях Н₁, Н₂, Н₃, . . ., близких к ожидаемому.

По полученным в графе IV значениям строится кубическая парабола и в точке пересечения ее с биссектрисой координатного угла, выражающей правую часть уравнения (IV. 11), находится искомая величина Н_opt (рис. 4).

Весовые характеристики корпусов плавучих доков

Модули для пересчета веса отдельных статей весовой нагрузки корпуса доков составлены Я. Б. Каганером на основе анализа условий работы отдельных конструкций дока (участие в общем изгибе понтонов, восприятие перепада давлений и т. д.).

Коэффициенты (измерители) весов при этих модулях для построенных и спроектированных доков вычислены совместно с В. Н. Эрфуртом и представлены на рис. 5 и в табл. 2. Условные обозначения ясны из рис. 6.