Принципы проектирования конструкций корпуса судна

Проектирование конструкции корпуса судна предполагает расчет всех пожеланий заказчика по дедвейту, учету внешних нагрузок и линии следования.

Металлоемкость, технологичность и нагрузки, действующие на конструкции

При плавании судна в море его корпус подвергается воздействию разнообразных внешних нагрузок, вызывающих в его конструкциях деформации и напряжения. Поэтому, проектируя новое судно, надо знать в достаточной степени как величину, так и расположение этих напряжений в отдельных узлах и конструкциях, образующих эти узлы. В статье Восприятие корпусными конструкциями внешних нагрузок, действующих на судно“Внешние нагрузки на корпус судна при проектировании” приведены данные о поведении корпуса в наиболее тяжелых условиях эксплуатации судна, а также об определении действующих в его конструкциях общих напряжений. Однако большое значение при проектировании надежных конструкций имеют знания поведения отдельных конструкций в самых сложных условиях эксплуатации. Прежде всего это необходимо при создании новых конструктивных узлов, которые не использовались на ранее построенных судах и не прошли испытания в сложных эксплуатационных условиях. Необходимость создания таких конструкций вызывается быстрым изменением требований мирового хозяйства к новым судам, изменениями технологий доставки грузов и судостроительного производства.

Этому способствует быстрое развитие надежных методов определения действительного состояния конструкций под воздействием внешних нагрузок в бурном море. Корпус судна представляет собой значительно более сложную комплексную структуру по сравнению с большей частью инженерных сооружений, которые используются человеком. Несмотря на поразительные успехи техники и науки, не всегда при проектировании имеется возможность получить совершенно достоверные данные о внешних нагрузках и вызываемых ими напряжениях и возможных деформациях.

Поэтому проектирование должно сопровождаться использованием опыта эксплуатации судов в наиболее тяжелых условиях Мирового океана, особенно в районах северных морей Тихого океана, которые принимают за эталон при определении экстремальных внешних нагрузок и где наблюдаются очень низкие температуры, а плавание судов сопровождается их опасным обмерзанием. Кроме этого, в зимние месяцы здесь отмечаются более тяжелые штормовые условия.

Резкое увеличение размеров танкеров, наблюдавшееся в 50-е гг., потребовало иного подхода к определению волновых изгибающих моментов и момента сопротивления поперечного сечения. Если до 1960 г. волновой изгибающий момент определялся путем статической постановки судна на волну длиной, равной длине судна, и высотой около 1/20 этой длины, то после интенсивного изучения морского волнения и поведения судна на этом волнении максимальные изгибающие моменты требуют более точной оценки, а их учет при постройке судов позволил постепенно снизить требования к минимальному моменту сопротивления поперечного сечения корпуса (рис. 1).

В связи с ростом компьютеризации и совершенствованием технологии оказалось возможным проанализировать с помощью метода конечных элементов (МКЭ) напряженность отдельных узлов в составе корпуса судна, а также всего корпуса. При разработке новых конструкций необычной формы стало возможным использовать достаточно точные расчетные методы, основанные на анализе внешних нагрузок. В ходе анализа удается составить представление о долговременной работе конструкций корпуса под воздействием различных напряженных состояний, меняющихся при смене условий плавания. Действительно, корпус судна, будучи очень сложной комплексной структурой, подвергается нагрузкам, меняющимся в широком диапазоне под воздействием внешних условий.

Это создает большие трудности в проведении чисто теоретического анализа. Поэтому до сих пор часто приходится ориентироваться на результаты опыта, изучение случаев повреждения конструкций при эксплуатации судов в тяжелых условиях. В некоторых случаях в Правилах Регистра сохраняются недостаточно обоснованные требования, в том числе устаревшие, и, к сожалению, корректировка Правил не успевает за изменениями, происходящими в современных технике и науке. Эту работу надо систематизировать и поставить на регулярную основу. Только таким путем возможно в будущем значительно повысить надежность работы конструкций в наиболее тяжелых условиях мореплавания и наилучшим образом удовлетворить требования надежности корпусов новых судов.

Нагрузки, действующие на корпус. Для создания надежных конструкций с минимальной массой необходимо знать характер и величину внешних нагрузок, действующих на эти конструкции, и реакции последних на эти нагрузки в виде поля напряжений. При этом, установив возможное разрушение конструкций при действии нагрузок, необходимо обеспечить запасы прочности с целью безопасной работы их в течение определенного периода эксплуатации. Разрушение отдельных корпусных конструкций представляет собой угрозу утраты безопасности всего судна, жизни экипажа, а также означает потерю перевозимого груза. Особо сложно обеспечить безопасность судов при действии динамических нагрузок в наиболее сложных условиях эксплуатации.

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

При определении реакций, раздельных конструкций даже современными методами, прежде всего МКЭ, не удается рассчитать местные напряжения, особенно действующие в ограниченных площадках конструкций, и обеспечить надежную работу материала конструкций; последние могут иметь неявные дефекты и объемное напряженное состояние, вызванное прокаткой на металлургических заводах или полученное во время постройки судна.

Повреждения конструкций корпуса имеют место в виде усталости, потери устойчивости, пластического разрушения или хрупкого разрушения.

К пластическому разрушению и потере устойчивости в основном приводят максимальные нагрузки, которые могут возникать при динамических (ударных) нагрузках на волнении, при посадке на мель, при ошибках во время спуска судна со стапеля или во время постановки изношенного судна в док для ремонта.

Усталостное разрушение — следствие накопления повреждений в течение эксплуатационного периода при знакопеременных (циклических) нагрузках. Наиболее опасным проявлением усталости концентраций является разрушение. Это так называемая малоцикловая усталость, которая возникает после нескольких повторных очень больших знакопеременных нагрузок в условиях динамических воздействий на волнении, особенно при попадании на волны необычной формы (волны-убийцы).

Хрупкое разрушение обычно сопровождается распространением трещин в наиболее напряженных конструкциях с высокими местными напряжениями при действии экстремальных динамических нагрузок, особенно при низких температурах. Часто возникновение усталостных трещин сопровождается их быстрым хрупким распространением на большие расстояния.

Внешние нагрузки на корпус судна последовательно передаются от отдельных элементов и узлов конструкций к опорным элементам.

При этом могут быть нагрузки:

• от общего продольного изгиба корпуса в вертикальной продольной плоскости с учетом кручения;
• поперечного характера;
• местные.

Нагрузки от общего продольного изгиба определяют общую продольную прочность всего плавающего судна как балки переменного по длине сечения, изгибающейся под воздействием массы всего сооружения — судна и сил поддержания со стороны воды. Судно-балка (эквивалентный брус) при этом находится под воздействием изгибающих моментов, перерезывающих сил и скручивающих моментов. При этом возникает изгиб и в горизонтальной плоскости, вызываемой поперечными усилиями, действующими со стороны бортов. Одновременно при изменении симметричного расположения сил поддержания по длине судна при его движении косым корпусом к волне возникает скручивающий момент. Эти вопросы подробно рассмотрены в статье “Продольный изгиб в корпусе судна – напряжения от нагрузок”Напряжения в корпусе судна при его общем продольном изгибе.

При проектировании корпуса судна стремятся, чтобы масса его конструкций при достаточной прочности была минимальной. Одним из весьма важных резервов снижения массы корпуса судна является использование надежных расчетных методов при проектировании его отдельных узлов на основе прогрессивных Норм прочности, которые периодически уточняются и дополняются с учетом достижений науки и техники, в том числе в судостроении и судоходстве.

Снижения металлоемкости можно достичь также за счет использования высокопрочных сталей и легких металлов. Высокопрочные стали для судостроения, или СПП (стали повышенной прочности), получили большое распространение при постройке транспортных судов. СПП обладают хорошей вязкостью, свариваемостью и способностью замедлять распространение возникающих трещин.

Однако необходимо учитывать, что усталостная прочность СПП не увеличивается пропорционально увеличению напряжений текучести. Об этом необходимо помнить при проектировании узлов с резким изменением поперечных сечений, вызывающих концентрацию напряжений. При этом, чем больше размеры судов, тем больше возможность уменьшения массы корпуса. С увеличением длины судна и предела текучести стали экономия металла увеличивается.

Использование СПП для изготовления наиболее напряженных конструкций экономически оправдано, если уменьшение массы корпуса необходимо для увеличения скорости и грузоподъемности судна.

Выбор марки стали для конкретных корпусных конструкций всего судна представляет определенные трудности из-за противоречивости требований, заключающихся в необходимости обеспечить их надежную работу в течение длительного срока при минимальной массе этих конструкций, да еще без частых ремонтов и дорогостоящего ухода за ними. При этом совершенно необходимо удовлетворить критерии прочности, предписываемые Правилами и Нормами.

Уменьшение массы конструкций возможно за счет оптимальных конструктивных решений при разработке форм конструкций, использования доброкачественных материалов — листов и профилей, требуемых для создания отдельных конструктивных узлов. При этом надо оценивать возможность использования СПП для отдельных конструкций с целью достижения максимального эффекта, без применения сложных и дорогостоящих технологических процессов при их изготовлении, а также сталей, способных надежно работать при низких температурах. При понижении температуры ниже 0 °С прочность стали увеличивается и резко уменьшается при наличии в материале дефектов и высокой концентрации местных напряжений. Это становится причиной хрупких и усталостных разрушений конструкций при низких температурах.

Особенно важно иметь это в виду при проектировании судов, работающих в Арктике и в замерзающих морях средних широт.

В результате приходится решать многовариантные задачи при проведении технико-экономического анализа. Снижение металлоемкости построенного судна способствует уменьшению массы его корпуса. Существует много возможностей уменьшения массы отдельных узлов корпуса судна за счет более правильного их проектирования и более рационального использования материала в отдельных конструкциях. До сих пор эти возможности полностью не используются; об этом дальше будет идти разговор при рассмотрении вопросов проектирования отдельных конструкций. Металлоемкость корпуса судна постепенно уменьшается. Этот процесс, безусловно, будет продолжаться по мере накопления опыта эксплуатации судов новых конструктивных типов и новых конструкций подвижных соединений, проходящих испытания в наиболее тяжелых условиях.

Совершенствование конструкций и уточнение методов их расчета позволяет увеличить нормы допускаемых напряжений. Этому способствуют улучшение технологии изготовления конструкций и надлежащая защита от износа и коррозии за счет использования антикоррозийных покрытий и своевременного их осмотра с целью восстановления этих покрытий. Благодаря усовершенствованию узлов и деталей корпуса, надежной защите их от износа и коррозии, использованию нержавеющих покрытий можно уменьшать толщину листов обшивки и набора и тем самым массу материала для корпуса.

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

Дополнительный источник экономии металла, идущего на изготовление конструкций корпуса, — уменьшение отходов материала при изготовлении конструкций за счет оптимизации раскроя и резки.

Рассмотрение продольной прочности корпуса-балки является одним из наиболее важных вопросов для повышения прочности корпуса судна, так как потеря общей прочности может стать непосредственной причиной гибели судна в результате перелома в средней части его длины и в носовой оконечности.

Иногда, не понимая истинных причин поврежденний, не зная величины действующих напряжений в отдельных узлах корпуса, без достаточных на то оснований увеличивают толщины отдельных элементов. Это приводит к неоправданному увеличению массы корпуса. Бывает и так, что толщины, наоборот, уменьшают, ослабляя конструкции, что ведет к частым ремонтам. Утолщение не всегда помогает повысить прочность конструкции. Иногда достаточно изменить форму элементов конструкции или использовать подвижные соединения.

При проектировании сложных узлов пересечения балок разных направлений и прерывистых связей усовершенствование последних с целью упрощения расчетных методов должно сопровождаться упрощением технологии изготовления, ремонтопригодности, инспекции качества, очистки и окраски.

В конце 1987 г. появился важный документ по конструированию корпусных конструкций морских судов. В нем содержалась методика расчетной оценки металлоемкости конструкций корпуса, т. е. массы металлического корпуса при проектировании новых судов. Предложенная методика служила основой для определения металлоемкости корпусов проектируемых судов. Она базировалась на результатах анализа статистических данных и учитывала факторы, влияющие на уровень металлоемкости судна:

• назначение;
• конструктивный тип судна;
• характерные особенности;
• а также его размерения, ледовые условия будущей эксплуатации и др.

Результаты расчетов включаются в раздел «Корпус» технической документации проекта.

Проблема снижения металлоемкости постоянно занимает умы кораблестроителей и ученых, постоянно появляются и внедряются новые прогрессивные методы расчета и нормирования прочности корпусных конструкций, а также расширяются области использования новых материалов.

После проведения анализа металлоемкости всего корпуса проектируемого судна или плавучих сооружений, предназначенных для работы на шельфе, разрабатывается конструкция удельных секций, узлов и деталей с учетом самых последних исследований, и опыта эксплуатации в похожих условиях. При этом конструктор должен отчетливо представлять, какие нагрузки будут действовать на проектируемый объект и отдельные его конструкции в процессе постройки, спуска со стапеля или строительного дока на воду, во время эксплуатации, при постановке в док и при ремонте на плаву у заводской стенки, например для замены обшивки или выполнения технологических вырезов, условия коррозии и износа в районах, где будет эксплуатироваться судно.

Рассмотрев все многообразие возможных нагрузок во время постройки и эксплуатации объекта, конструктор должен отобрать самые опасные из них и выполнить расчеты на современном уровне, с учетом требований Правил и Норм и их коррективов.

Задача конструктора — спроектировать корпус судна и отдельные его конструкции с учетом нагрузок, которые по характеру изменения во времени делятся на неизменяющиеся, статически переменные и динамически переменные или, как их часто называют, ударные. В Японии разработана поточная процедура проектирования конструкций (рис. 2).

Неизменяющиеся нагрузки — это вес корпуса, механизмов, снабжения и других грузов, составляющие в сумме водоизмещение судна, а также силы давления воды при плавании на тихой воде, не меняющие своего суммарного значения, характера распределения и направления в течение длительного времени.

Статически переменными называют нагрузки, период изменения которых в несколько раз превышает период собственных колебаний конструкций:

• нагрузки от давления воды на волнении;
• усилия при спуске и при постановке в док;
• инерционные усилия, возникающие при качке.

Динамически переменные нагрузки — это усилия, период изменения которых близок к периоду собственных колебаний судна или меньше его. К таким нагрузкам относятся удары волн, удары в развал борта и днище, удары при швартовках на сильном волнении и при навалах на причал, удары об отдельные сидящие на мели или плавающие льдины, а также периодически действующие усилия, вызывающие вибрацию. Особую опасность представляют усилия, действующие с частотой, равной частоте собственных упругих колебаний корпуса или отдельных его конструкций, вызывающих явление резонанса, когда амплитуда упругих колебаний отдельных конструкций быстро увеличивается и в результате малоцикловой усталости возможно возникновение трещин и остаточных деформаций.

Таким образом, при расчетах прочности отдельных конструкций и при выборе надежных узлов и элементов необходимо установить значения действующих на конструкцию нагрузок, выбрать надежные методы расчета и назначить запасы прочности в зависимости от той роли, которую эти конструкции играют в составе корпуса судна.

Назначение запасов прочности рассчитываемой конструкции зависит от того состояния, которое допускается при ее работе. Поэтому при расчетах конструкций на действие случайных нагрузок назначаются запасы прочности меньшие, чем при расчетах на действие постоянных нагрузок. Так, при расчетах водонепроницаемых переборок, на которые могут действовать случайные нагрузки при аварийном затоплении отсека, сознательно допускаются остаточные деформации, т. е. напряжения, достигающие σ_т, однако величина этих деформаций не должна приводить к водотечности. За счет принятия меньших запасов прочности масса отдельных конструкций может быть уменьшена.

Предлагается к прочтению: Транспортные суда ледового плавания

Основная часть конструкций судового корпуса при плавании в возможно наихудших условиях, предусматриваемых заданием на проектирование, должна обладать достаточной местной прочностью, т. е. не должна получать повреждения в виде трещин и остаточных деформаций. Однако иногда в тяжелых условиях плавания судоводители допускают какое-то превышение расчетных нагрузок, и в конструкциях возникают остаточные деформации.

При превышении этими деформациями определенных величин, установленных Правилами Регистра, конструкции должны заменяться или подкрепляться. Следует иметь в виду, что даже при наличии больших остаточных деформаций во многих случаях конструкции в состоянии успешно продолжить работу, хотя эти деформации могут стать причиной недопустимых явлений. Например, последующее деформирование этих конструкций может привести к появлению в них трещин и, следовательно, к водотечности. Кроме того, при движении судна в воде и во льдах деформированные конструкции создают дополнительное сопротивление.

Для обеспечения достаточной прочности сварных конструкций большое значение имеет качество их изготовления. На прочность и работоспособность конструкций оказывают влияние деформации и напряжения от сварки, структурные изменения металла при резке, гибке, сварке и правке деталей, образующих конструкцию. Серьезным врагом надежности конструкций является коррозия.

Учет коррозионного износа

Новые Правила Регистра определяют запас на износ только для конструкций, планируемый срок службы которых превышает 12 лет. Он определяется по формуле:

$∆S=u(T–12),$

где:

• u — среднегодовое уменьшение толщины связи, мм/год, принимается c учетом условий эксплуатации;
• Т — планируемый срок службы конструкции (число лет);
• если срок специально не устанавливается, то принимается Т = 24.

Среднегодовое уменьшение толщины связи устанавливается по таблице Правил в зависимости от группы судов и назначения помещений.

Наиболее опасно коррозионное растрескивание, при котором совершенно неожиданно происходит самопроизвольное разрушение конструкций, способное вызвать катастрофические последствия. В последнее время для борьбы с этими негативными явлениями Институтом электросварки им. Патона (Украина) разработан способ обработки сварных соединений металлоконструкций взрывом, основанный на том, что ударные волны мгновенно снимают внутренние напряжения, после чего районы сварных швов приобретают свойства основного металла. Практическое использование технологии обработки швов взрывом может найти широкое применение в судостроении при изготовлении корпусных конструкций. С помощью этой технологии можно значительно повысить сопротивляемость хрупкому разрушению конструкций ледоколов и судов ледового плавания, работающих при низких температурах.

При проектировании отдельных узлов корпуса судна стремятся выбрать наиболее подходящие для известных условий нагружения варианты, обеспечивающие высокую работоспособность, статическую и усталостную прочность.

Критерии местной прочности

Оценка прочности отдельных узлов и элементов, из которых состоит корпус судна, носит название оценки местной прочности и выполняется по специально разработанным расчетным схемам, включающим определение внешних нагрузок и вызываемых ими напряжений. Не всегда удается добиться высокой точности результатов путем использования принимаемых схем. Это объясняется трудностями в получении достоверных исходных данных по фактическому поведению конструкций в различных условиях эксплуатации. Особые трудности встречаются, когда проектируются суда новых конструктивных типов, которые в эксплуатации еще не были.

Кроме общего продольного изгиба корпус судна подвергается поперечному изгибу в результате появления поперечных усилий, действующих на судно снаружи и изнутри (рис. 3). Они искажают первоначальную форму поперечных сечений балки-корпуса под действием гидростатического давления на днища и борта, а также при заливании верхней палубы во время шторма, давления грузов, топлива и балласта, собственного веса судна. Поперечные нагрузки, действующие как снаружи, так и изнутри корпуса, вызывают деформации конструкций (см. рис. 3, пунктир). Кроме этого, при общем продольном изгибе возникают и поперечные усилия.

На практике отдельные конструкции рассчитывают на действие местных нагрузок на отдельных участках корпуса. После этого возможен переход к расчетам больших участков корпуса (перекрытия), которые ограничены перекрытиями другого направления, и к расчету всего судна МКЭ.

Пластины обшивки и набора, расположенные между соседними поперечными и продольными балками набора, подвергаются действию продольных и поперечных усилий от поперечных нагрузок и обеспечивают местную прочность (рис. 4).

Обеспечив прочность отдельных конструкций, можно добиться создания всего прочного корпуса. Необходимо прежде всего обеспечить прочность листов обшивки, затем прочность поддерживающих участки листов балок поперечного и продольного набора и балок набора, на которые опираются балки, подкрепляющие листы обшивки. При этом важно определить одновременное действие реакции элементов конструкции.

Продольные нагрузки устанавливаются, как было показано в статье “Продольный изгиб в корпусе судна – напряжения от нагрузок”Напряжения в корпусе судна при его общем продольном изгибе, при расчете эквивалентного бруса, так как давления на корпус судна воспринимаются пластинами обшивки и в виде опорных реакций передаются на поддерживающий пластины набор (ребра жесткости). Последний уже передает нагрузку на поддерживающий их рамный набор в виде реакций в узлах соединения.

На рис. 5 изображена конструктивная деталь обшивки, подкрепленной продольными ребрами жесткости и поперечными флорами.

Днище находится под действием внешних давлений со стороны воды р₁ и противодавления грузов, расположенных внутри корпуса, р₂. Суммарная нагрузка на пластину, ограниченную двумя соседними продольными ребрами и двумя флорами:

где:

• а — поперечный;
• b — продольный размеры пластины (панели) соответственно.

Нагрузка передается ребрами на флоры (см. рис. Восприятие корпусными конструкциями внешних нагрузок, действующих на судно“Схема передачи поперечных усилий давления воды на опорный контур перекрытия”). Расчет прочности выполняют раздельно, используя для листов теорию пластин, а для балок — балочную теорию. При определении же усталости узлов с концентрацией напряжений применяют МКЭ.

Критерии прочности при расчетах обычно задаются Правилами и Нормами в виде запасов прочности на основе:

• долговременной статистики волновых воздействий расчетных волн при наихудшей в нормальных условиях загрузке судна;
• результатов расчетов прочности по наибольшим нагрузкам;
• определения запасов прочности при наибольших нагрузках и вызываемых ими напряжениях и анализа критических нагрузок.

Конструкции, находящиеся под воздействием принятых в расчетах нагрузок, должны надежно работать при полученном распределении и величине напряжений в отдельных узлах и элементах. Для обеспечения этого не всегда достаточно только расчетов, иногда дополнительно требуется проведение экспериментов, используя численное моделирование с помощью компьютеров.

При нормировании местной прочности многих корпусных конструкций используется метод предельных нагрузок. Он состоит в том, что назначают коэффициенты запаса для нагрузок, при возникновении которых исчерпывается несущая способность связей корпуса судна. При этом опасное состояние связывается с возникновением в конструкциях напряжений, равных пределу текучести. Расчеты местной прочности проводят по напряжениям, возникающим при расчетных нагрузках. Проверку ребер жесткости ведут на устойчивость плоской формы изгиба и определяют минимально допустимые толщины.

Будет интересно: Восприятие корпусными конструкциями внешних нагрузок, действующих на судно

Одновременно решают вопросы оформления отдельных вырезов, соединений, прерывающихся конструкций и оценивают возможность создания надежных сварных соединений. Особое внимание необходимо уделять уменьшению местной концентрации напряжений в многочисленных прерывистых связях и разнообразных узлах пересечения балок и кничных соединений. При этом стремятся уменьшить их сложность и затраты металла на изготовление с учетом действительной загруженности в ходе эксплуатации и степени ответственности конструкции в составе сооружения.

Наибольшие трудности встречаются при проектировании конструкций с жесткими точками и прерывистыми связями, работающих в условиях действия динамических нагрузок, особенно при днищевом и бортовом слеминге и при вкатывании волны на бак судна (рис. 6). Встречаются трудности в обеспечении усталостной прочности конструкций.

Потенциально опасными считаются конструкции в районах отверстий в листовом наборе, служащих для прохода продольных или поперечных балок. Рассматриваемые узлы часто повреждаются при резких ударных нагрузках и при низких температурах. Оценить работоспособность таких узлов при циклическом нагружении до сих пор сложно.

В последние годы все чаше для экспериментов используются близкие к натуре модели (рис. 7). Этот метод требует больших затрат и используется редко. Однако только тщательные эксперименты в бурном море (весьма опасные) могут пролить свет на фактическое поведение конструкций. Поэтому особую ценность имеет изучение случаев столкновений судов, посадки на мель и повреждений во время ураганов. Очень важны исследования в этом направлении, которые часто изменяют установившиеся представления о возможном напряженном состоянии корпуса. Заслуживают самого пристального внимания работы проф. А. И. Максимаджи по оценке общей прочности судна.

В них, в частности, говорится о возможном возникновении при общем продольном изгибе максимальных напряжений не на миделе, а в районе ближе к носовой оконечности, который часто подвергается повреждениям. Нормальные напряжения большой величины могут заметно увеличиваться за счет больших касательных усилий, а также в результате ударов о воду днищем и в развал бортов в носу и уменьшения площадей поперечных сечений.

Разрушение конструкций, находящихся в условиях сложного напряженного состояния, значительно отличается от разрушения в условиях одноосного напряженного растяжения. Для определения несущей способности конструкций с трещинами все в больших объемах используются методы механики разрушений конструкций с высокой концентрацией местных напряжений.

Критерии прочности рассчитываемых корпусных конструкций для расчетных нагрузок обычно принимаются такими, чтобы напряжения не превышали допускаемой величины σ_д:

${\sigma }_{max}\le {\sigma }_{д}=\frac{{\sigma }_{П}}{k} или {\sigma }_{max}\le {\sigma }_{д}=\frac{{\sigma }_T}{k^{\prime }},$

где:

• k и k′ — коэффициент запаса прочности;
• σ_П — предел прочности;
• σ_Т — предел текучести.

Предполагается, что появление пластических зон сопровождается разрушением, в связи с чем запасы прочности устанавливаются как отношение предельной прочности к проектной.

Пластические расчеты применяются при проектировании конструкций, подвергающихся:

• ударам волн о днище и в развал бортов;
• местному воздействию на палубные перекрытия;
• ударным нагрузкам на переборки при перемещении жидкости во внутренних емкостях;
• давлению воды на переборки.

Зависимость изгибающего момента балки от ее кривизны показана на рис. 8, а. Здесь изменение напряжений в случае прямоугольного поперечного сечения балки при ее упругом изгибе показано отрезком (ОВ). Напряжения текучести возникают в наиболее удаленной точке сечения, где и перестают расти. Затем зона текучести распространяется внутрь сечения и постепенно охватывает его полностью (рис. 8, б). Изгибающий момент, соответствующий такому состоянию, называют предельным (пластическим).

После того как все сечение подвергается пластичной деформации, балка при дополнительном увеличении нагрузки будет не в состоянии воспринимать больший изгибающий момент. Такие сечения называют «пластическими шарнирами».

При разрушении пластин, опертых или заделанных на балках набора, при увеличении нагрузки с какого-то момента появляются пластические зоны на поверхности — посредине длинных опорных кромок. Эти зоны с увеличением нагрузки расширяются по всей толщине пластины, распространяясь вдоль опорных кромок и превращаясь в линейные шарниры. Пластические зоны также появляются и распространяются постепенно от центра пластины к ее углам. Это вызывает пластическое разрушение пластины между опорными кромками.

Местные нагрузки, так же как и общие, которые были рассмотрены раньше, изменяются во времени и по направлению, вызывая усталостные повреждения в виде трещин. Подобные местные трещины, особенно в районах с высокой концентрацией напряжений, вызванных конструктивными и технологическими причинами, при распространении неоднократно вызывали серьезные аварии и даже перелом корпуса. Полученные же остаточные деформации с разрывами могут привести к затоплению судовых трюмов, что также угрожает гибелью судну.

Так случилось, например, после затопления трюма сухогрузного судна, получившего деформации при сжатии во льдах Восточной Арктики, в результате чего произошел разрыв листов обшивки (рис. 9). Интересно, что такие повреждения судов с двойными бортами не ведут к гибели при пробоинах.

Появление трещин в корпусных конструкциях часто возникает из-за возможных дефектов в материале, недостаточной надежности узлов с повышенными напряжениями и применения: недостаточно обоснованных новых конструктивных решений при проектировании судов. До сих пор конструкторы не всегда располагают надежными методами уменьшения до возможного минимума местных напряжений, особенно в узлах конструкций при больших динамических знакопеременных нагрузках, находящихся в сложных видах напряженных состояний. Особая опасность возникает после накопления усталостных повреждений на старых судах при попадании их на необычные по форме громадные волны (в результате малоцикловой усталости). До сих пор этот процесс недостаточно изучен. Предполагается, что появление трещин и остаточных деформаций в корпусе судна возможно, но сам материал конструкций должен задерживать их распространение, а конструкции даже при больших стрелках прогиба — сохранять способность перераспределять напряжения на соседние конструкции и продолжать безопасно воспринимать внешние нагрузки.

Необходимо иметь в виду, что ограниченность районов действия местной концентрации напряжений часто затрудняет их обнаружение даже экспериментальным путем. При этом действие местных напряжений может значительно отличаться от расчетных. Особенно чреваты опасными последствиями участки местной подварки коррозионного износа сварных швов и околошовные зоны. Установлено, что наплавка валиковых сварных швов вызывает появление новых полей высоких местных напряжений, которые могут служить источником появления новых трещин.

За появившимися трещинами и деформациями требуется внимательно наблюдать, регулярно осматривать и окрашивать потенциально опасные места до момента инспекционных осмотров. Возможность возникновения трещин и остаточных деформаций после нескольких лет эксплуатации подтверждается многочисленными исследованиями организаций, наблюдающих за состоянием корпусов судов.

Как уже отмечалось, при проектировании конструкций судов с использованием принципиально новых решений часто используется только приближенная оценка их надежности, что не исключает вероятности появления трещин.

Таким образом, надежность корпуса судна должна рассчитываться с учетом возможности продолжения его эксплуатации с повреждениями. Однако во время плавания при жестоких штормах и особенно при низких температурах при действии больших динамических нагрузок возможно хрупкое распространение трещин.

При оценке работоспособности сложных узлов конструкций могут использоваться результаты испытания их на усталость. При этом внешние нагрузки должны быть подобны эксплуатационным.

Путем испытания узлов устанавливаются эффективные коэффициенты концентрации σ_э. Если теоретический коэффициент концентрации α_т связывает максимальные напряжения σ_max со средними по сечению нормальными напряжениями σ_н соотношением α_т = σ_max/σ_н, то эффективный коэффициент концентрации:

$a_{э}=\sigma \left(N\right)/{\sigma }_{к}\left(N\right),$

где:

• σ(N) — предел ограниченной выносливости материала, определенный при N циклах напряжения;
• σ_к(N) — то же для испытываемого узла с концентратором.

Как σ(N), так и σ_к(N) определяются по моменту возникновения в узле видимых трещин.

При расчетах местной прочности большей части конструкций корпуса судна за опасные напряжения принимаются напряжения, равные пределу текучести материала. Наступление опасного состояния конструкций связано с возникновением в них напряжений, вызывающих нарушение целостности или опасные остаточные деформации.

Наши многолетние наблюдения за эксплуатацией судов в арктических и дальневосточных морях свидетельствуют о возникновении разных по размерам остаточных деформаций, от самых незначительных до занимающих площадь всего перекрытия. Большие деформированные перекрытия на судах типа «Омск» нам приходилось наблюдать в днище носовой оконечности, они явились результатом слеминга. После повреждения т/х «Орехов» нами была спроектирована и установлена новая секция, а при плавании через Тихий океан выполнены замеры действующих напряжений во время жестоких штормов. Более частые, но меньшие по площади деформации имели место на мощных ледоколах типа «Ермак». Между наборами появлялись гофры и деформации вместе с набором (вмятины). При этом набор терял устойчивость плоской формы изгиба. Ограниченные по площади деформации при повторных нагружениях постепенно увеличивались, это вело к перераспределению напряжения и перегрузке других связей.

Нарушения формы конструкций в результате деформаций обшивки, балок набора и целых перекрытий могут считаться допустимыми только в определенных пределах с учетом работы конструкций при пластических деформациях.

Читайте также: Корпус судна и предъявляемые к нему требования

Все конструкции корпуса должны обладать некоторым запасом несущей способности в целях обеспечения достаточной прочности и устойчивости при превышении расчетных нагрузок, особенно близких к опасным. Расчет местной прочности для большинства сложных конструкций часто основывается на упрошенных схемах предельного равновесия. Потеря листами обшивки плоской формы при пластических деформациях не уменьшает несущей способности конструкций, однако ухудшает эксплуатационные характеристики судна.

Деформации обшивки и набора под действием местных нагрузок часто вызывают трещины в узлах пересечения балок разных направлений, в районах повышенных напряжений и в местах появления больших пластических деформаций. Однако трещины возникают и при отсутствии заметных пластических деформаций. Избежать острых концентраторов напряжений во многих случаях оказывается невозможно, и тогда появляются деформации, при которых конструкции могут еще работать. Податливость соединений можно увеличивать, выполняя различные подвижные соединения, которые за многие годы их использования на судах уже зарекомендовали себя весьма положительно.

Потеря устойчивости при действии сжимающих нагрузок нарушает работоспособность конструкций. При сжатии они ведут себя иначе, чем при растяжении. Если при растяжении происходит разрыв, то при сжатии конструкции могут потерять устойчивость, получив остаточные деформации в виде отклонения в сторону, не совпадающую с направлением действия сжимающей нагрузки. Это явление называется потерей устойчивости, а нагрузка — критической.

Текучесть и потеря устойчивости конструкций вызывается как статическими, так и ударными нагрузками. Часто разрушение конструкций происходит и в результате действия знакопеременных нагрузок (вибрация), вызываемых плаванием на волнении, работой гребного винта и механизмов. Эти разрушения носят усталостный характер.

При проектировании конструкций рассматривают отдельные элементы в виде балок, пластин и перекрытий. Для них в строительной механике корабля разработаны методы расчета. В настоящее время в распоряжении конструктора имеется много компьютерных программ для численного анализа. Большое значение имеют программы, основанные на МКЭ, которые применяются для расчета конструкций любой конфигурации при различных граничных условиях, под действием любых нагрузок и при изменении свойств материала.

Повреждения конструкций новых судов и потенциальные возможности возникновения в них трещин

Исследованиям надежности и долговечности конструкций уделяется большое внимание в связи с многочисленными повреждениями корпусных конструкций судов, построенных в различных странах, в том числе и в последние годы. Многие повреждения — следствие плохого качества материала и его дефектов, нарушений технологии изготовления конструкций во время постройки, однако часть повреждений возникает из-за отсутствия достаточных знаний о действующих нагрузках и реакций на них отдельных конструкций, в совокупности составляющих корпус судна.

Количество повреждений конструкций остается очень большим, что объясняется изменением условий эксплуатации, повышением скоростей новых судов и появлением все большего количества новых конструктивных типов. Это еще раз свидетельствует о необходимости уточнения используемых расчетных методов и об отсутствии необходимых опытных данных по эксплуатации новых судов. Для накопления таких данных требуется определенное время и анализ эксплуатации судов в штормовых условиях. Однако и изучение предыдущего опыта — эксплуатации старых судов и их повреждений — может дать много полезного для проектирования.

С целью оптимизации принимаемых конструктивных решений при проектировании судов необходимо самое пристальное изучение повреждений и сопоставление результатов анализа с современными научными исследованиями.

Уменьшения повреждений на новых судах можно добиться, если проводить предварительные — до постройки других судов — испытания головного судна серии в наиболее сложных условиях эксплуатации. Об этом говорил еще акад. Ю. А. Шиманский, но, к сожалению, предложение не вошло в практику.

В результате все новые суда серии приходится подвергать модернизации, как это имело место, например, с судами СА-15. А вот при постройке второй части серии судов ледового плавания СА-15 — СА-15супер — в их конструкцию было внесено значительное количество усовершенствований, необходимость которых показала практика и которые способствовали заметному уменьшению повреждений во время эксплуатации в тяжелых льдах Арктики как самостоятельно, так и под проводкой ледоколов.

Прочность конструкций была согласована с мощностью главных механизмов, что при отсутствии контрольных приборов на борту до этого приводило к повреждениям из-за недостаточной прочности многих конструкций судов при форсировании ими льдов.

Систематизацией и анализом повреждений регулярно занимаются классификационные общества, прежде всего «Ниппон Кайджио Киокай». Большой интерес для усовершенствования конструкций новых судов представляют данные о повреждениях, которые получены по 5 341 судну в Японии. Первая систематизация повреждений судов со сварными конструкциями была выполнена в начале 40-х годов американской морской комиссией по судам типа «Либерти». Катастрофические последствия их повреждений во время эксплуатации описаны Н. В. Барабановым. Более 50 лет ДВГТУ занимается анализом повреждений сварных судов и модернизацией их конструкций.

В связи с изменением традиционных форм конструкций на новых судах иногда повреждения возникают на начальном этапе их эксплуатации. Оказалось, что высокие короткие кормовые многоярусные надстройки испытывают сильную вибрацию. Присоединение к ним непрерывных продольных комингсов с помощью рекомендуемых высоких книц вызывало отрыв последних во время сильного шторма. Испытания проводились нами во время урагана в районе Алеутских островов на контейнеровозе «Пестово» (рис. 10).

Группирование в одном районе нескольких прерывистых связей вызывало повреждения даже на клепаных судах, конструкции которых в швах могут иметь некоторые перемещения, что способствует уменьшению пиков местных напряжений. Характерные аварии произошли на клепаных трансатлантических лайнерах «Маджестик» и «Левиафан» в начале XX в. В декабре 1924 г. во время жестокого шторма в ширстреке на миделе на «Маджестике» появилась трещина, которая распространилась на всю ширину верхней палубы (рис. 11). Результаты осмотра после прихода судна в порт показали, что над трещиной располагалось расширительное соединение в палубе надстройки.

На сварных судах такого рода группирование связей также недопустимо, однако подобное было допущено на плавбазе «Во­сток», на которой в ходе эксплуатации появилось большое количество трещин в районе прерывистых связей верхней палубы. Известны многочисленные случаи распространения трещин до полного разделения корпуса судна на две части как на клепаных, так и на сварных судах.

К перелому и гибели судов часто приводят динамические воздействия волн в бушующем море. При сильном волнении суда вынуждены двигаться вразрез против движения господствующих волн с минимальной скоростью из-за оголения винтов и ударов волн в носовую оконечность днища, в развал бортов и ударов при заливаемости верхней палубы. Все эти причины вызывают сотрясение корпуса и вибрацию, избавиться от которых капитан, управляющий судном во время шторма, не в состоянии. Это можно сделать, уменьшив скорость движения против волн, но тогда судно перестанет «слушаться руля» и может лечь лагом к волне. Такое положение опасно из-за возникновения большого крена, вскрытия люков массой воды и перемещения груза. Подобная авария произошла с т/х «Рязань» в Беринговом море зимой 2000 г. и привела к гибели судна.

Плавание при штормовых условиях часто даже на самых новых судах сопровождается возникновением трещин, представляющих грозную опасность для них. Во время жестоких штормов быстро выявляются конструкции, обладающие недостаточной прочностью или исчерпавшие свой усталостный ресурс. Последнее особенно опасно для старых судов. Однако не на всех судах одной и той же серии появляются одинаковые повреждения. Многолетние наблюдения за восемью судами типа «Омск» с самого начала их эксплуатации до списания подтвердили это. Число повреждений уменьшилось, когда капитаны стали проявлять особую осторожность и ограничили скорости судов.

Наблюдения за эксплуатацией серийных судов позволяют сделать вывод о целесообразности проведения модернизации судов всей серии, а не только на поврежденных.

Интересно, что судно «Оренбург» под командованием капитана Г. М. Лебедева (он установил в 2000 г. рекорд по продолжительности плавания капитаном, который внесен в книгу Гиннесса) несколько лет эксплуатировалось после получения больших остаточных деформаций днищевых носовых перекрытий. Общие деформации днищевого перекрытия судна постепенно увеличивались, достигнув 120 мм.

Было замечено, что после подкрепления любых конструкций, которые получали повреждения, судоводители в штормовых условиях используют более высокие скорости, чем те, которые они допускали до модернизации. Это вызывает увеличение нагрузок по сравнению с действовавшими до модернизации, что вызывает повторные повреждения тех же конструкций, поскольку при модернизации они рассчитывались на меньшие нагрузки, определенные по фактическим деформациям. Повторные же деформации более прочных конструкций вызывались большими внешними нагрузками. Таким образом, методами последующих приближений решался вопрос рационального подкрепления дефектных конструкций.

Для определения допустимых скоростей движения судов в штормовых условиях целесообразно иметь приборы контроля внешних нагрузок и не допускать их до опасных для данных конструкций значений. Во всех случаях контролю должны подвергаться только динамические нагрузки, действующие в совершенно определенных местах и вызывающие опасную местную концентрацию напряжений. В случае действия динамических ледовых нагрузок контроль может выполняться датчиками, устанавливаемыми в местах действия максимальных ледовых нагрузок.

Ударные нагрузки вызывают сильные сотрясения и вибрацию. Последняя в одном случае быстро затухает, а в другом действует постоянно (работа механизмов внутри корпуса и при оголении винта при сильной качке). Такая незатухающая вибрация наблюдается при форсировании ледоколами торосистых льдов. Высокая концентрация местных напряжений во время вибрации иногда вызывает усталостные трещины. Это наблюдалось во время нашего экспедиционного рейса на контейнеровозе типа «Варнемюнде» — «Пестово». Во время урагана в океане при сильной качке и ударах о воду оторвались переходные кницы продольных комингсов, крепящие их к лобовой стенке кормовой рубки (см. рис. 10). Рубка сильно вибрировала в продольном направлении (это недостаток всех высоких кормовых надстроек, расположенных над гребными винтами). Во время описываемых испытаний разрушились еще несколько модернизированных конструкций, ранее получивших повреждения в результате недостаточной компенсированности высоких местных повреждений.

Судно имело парные люки и четыре непрерывных продольных комингса, присоединенные в корме к рубке переходными кницами, которые во время урагана были оторваны, а трещины возникли и в стенке рубки. Все меры, которые позже принимались для предотвращения повреждений, не дали положительных результатов из-за очень больших напряжений, возникавших в конструкции. Потребовалась полная реконструкция кормовой оконечности.

Рекомендуется к прочтению: Конструктивные типы транспортных судов и особенности проектирования их конструкций

Сразу после удара при слеминге вибрация как всего корпуса, так и отдельных его конструкций постепенно затухает. В момент же удара в поперечных сечениях корпуса возникают большие дополнительные изгибающие моменты. Суммарная их величина вместе с волновыми моментами при качке в районах (1/3—1/4)L может достигать опасных значений. Вместе с уменьшением моментов инерции носовых поперечных сечений в последних могут возникнуть очень большие напряжения, способные вызвать повреждения и перелом корпуса. Этому могут способствовать большие срезывающие силы, возникающие в оконечностях при общем продольном изгибе.

Руководствуясь правилами строительной механики, проверку прочности балки- корпуса, находящегося под действием изгибающих моментов и срезывающих сил, целесообразно производить для поперечного сечения, в котором одно из главных напряжений имеет наибольшее значение. В последнее время построены суда новых конструктивных типов, на которых возможно появление больших нормальных и касательных напряжений в сечениях, расположенных близко друг от друга по длине судна в носовой оконечности. Проф. А. И. Максимаджи поставил вопрос о целесообразности оценки общей продольной прочности корпуса судна с учетом действия одновременно касательных и нормальных напряжений. Нам кажется, что целесообразно учесть еще и напряжения, возникающие в носовой оконечности от ударов при слеминге и заливаемости.

Как показывает мировая статистика, переломы корпусов судов в носовых сечениях отмечаются примерно на расстоянии 3/4 длины от носового перпендикуляра.

Аварии навалочника «Ономичи мару» и танкера «Находка» закончились гибелью этих судов после перелома их корпусов на волнении. Оба этих случая были подвергнуты внимательному многолетнему изучению, однако до сих пор остаются невыясненные вопросы, ответы на которые необходимо получить. На рис. 12 и 13 представлены места разделения корпусов аварийных судов на две части.

Как показало подробное изучение аварии рефрижератора «Профессор Попов», произошедшей во время жестокого шторма из-за движения на крутом волнении с повышенной скоростью, в носовой оконечности имелись большие остаточные деформации и трещины в верхней палубе и с правого борта (рис. 14).

Все три последние аварии были вызваны возникновением в носовых оконечностях корпусов на сильном волнении повышенных напряжений от ударов при движении вразрез волнам. На рефрижераторе некоторое время наблюдались большие остаточные деформации и распространение трещин. Это подтверждает мнение о том, что в носовых оконечностях судов имеются районы, конструкции которых не обладают достаточной надежностью. В этой связи их проектированию необходимо уделять дополнительное внимание, а судоводителям — обеспечивать требования «хорошей морской практики» и проявлять особую осторожность во время штормов в районах с волнами необычной формы.

Новые научные исследования позволяют расширить использование расчетных методов при проектировании многих потенциально опасных конструкций, которые продолжают быть источником трещин в местах действия высоких местных напряжений и в чрезвычайных условиях эксплуатации часто приводят к катастрофическим последствиям.

Как показывает практика (рис. 15), причиной большей части повреждений является коррозия, второе место занимают повреждения, являющиеся результатом ошибок, допущенных при проектировании. С течением времени количество повреждений уменьшается, достигая пика через 12—15 лет эксплуатации. Это объясняется прежде всего усовершенствованием дефектных конструкций в первые годы эксплуатации и улучшением ухода за ними с использованием все более надежных покрытий и усилением инспекции их состояния.

За время эксплуатации судов методы инспектирования и ухода за конструкциями заметно улучшаются, постепенно заменяются труднодоступные узлы, а сомнительные узлы модернизируются во время ремонта в соответствии с новыми положениями Правил и Норм классификационных обществ.

Катастрофические повреждения навалочников, имевшие место в 1969 и 1970 гг. в результате перелома их корпусов, вызвали международную реакцию, и изучением повреждений занялись все морские страны. Гибель судов «Боливар мару» (5 января 1969 г.), «Калифорния мару» (9 февраля 1970 г.), «Ономичи мару» (30 декабря 1980 г.) и, конечно, танкера «Находка» (см. рис. 13) потребовала дополнительных исследований, чтобы сделать выводы о причинах этих катастроф и дать рекомендации.

При этом особое внимание было уделено уточнению и разработке новых расчетных методов вибрации при плавании на волнении, сопровождающемся сильными ударами и местными усталостными повреждениями. Задачей являлось уменьшение величины действующих усилий и напряжений в результате вибрации во избежание резонанса.

При проектировании новых судов необходимо проводить расчеты с целью определения напряжений, возникающих под воздействием внешних экстремальных нагрузок. После этого надо оценить, не будут ли полученные результаты превышать известные величины на уже эксплуатирующихся судах. Точно так же поступают при проверке вибрации всего судна и отдельных его конструкций с целью сравнения их с допустимыми с точки зрения обитаемости и надежной работы конструкций и механизмов.

Состояние моря меняется в значительных пределах, и его воздействие на прочность конструкций различно. Бывает трудно установить экстремальные нагрузки и их воздействие на отдельные узлы конструкции. Для этого используются приближенные подходы, и особенно анализ повреждений. Характер и частота повреждений для разных конструктивных типов судов значительно отличается (рис. 16).

При сроке эксплуатации до восьми лет на всех трех типах судов — навалочниках, лесовозах и сухогрузах — частота повреждений мало отличается, но после этого резко увеличивается у навалочников и лесовозов, причем наиболее повреждаемые конструкции на них разные (см. таблицу ниже).

Анализ данных таблицы выше показывает, что повреждаемость фальшбортов на сухогрузных судах и лесовозах меньше, чем комингсов и люков. Это может служить основанием для присоединения фальшбортов к ширстреку и включения их в состав эквивалентного бруса, как это допускается для непрерывных продольных комингсов. Однако это не рекомендуется делать для фальшбортов из-за опасности их повреждения. Позже мы возвратимся к этому вопросу.

На рис. 17 представлены данные о повреждениях различных конструкций на сухогрузах и танкерах в результате вибрации (по японским наблюдениям).

Важное значение имеют частота и величина усилий, вызывающих вибрацию, при действии двух вибрационных усилий одной частоты различия в фазах становятся важным фактором. Возбуждающие усилия судовой вибрации возникают от работы гребного винта и главного двигателя. Эти усилия увеличиваются в конструкциях в результате резонанса. Например, резонанс осевой вибрации гребного вала, возбуждающее усилие которого идет от главного двигателя, передается на корпус и надстройку (при резонансе вала надстройка вибрирует больше).

Масса судовых конструкций и оптимизация конструктивных решений

При проектировании корпуса судна и отдельных его конструкций, обладающих необходимой надежностью в наиболее тяжелых условиях эксплуатации в конкретных районах Мирового океана, одной из важных задач является максимальное уменьшение металлоемкости. Однако использование более прочных материалов для этих целей не может решить вопроса. Немаловажное значение имеет стоимость материалов, идущих на постройку, возможность использования простых технологических процессов и квалификация изготовителей. Построенное судно должно во время эксплуатации приносить максимальный доход, а период выведения его из работы на проведение ремонта должен быть минимальным.

Обычная практика проектирования корпусных конструкций традиционных типов судов предполагает использование зависимостей, регламентируемых специальными документами классификационных обществ. Для проектирования же конструкций новых типов судов, которые будут использоваться в иных условиях, кроме этих зависимостей применяют расчетные методы, не только рекомендуемые Нормами прочности, но и полученные в ходе последних теоретических и экспериментальных исследований ведущих научно-технических коллективов, в том числе по выполняемым международным программам и на базе существующих лабораторий, ранее работавших по военным программам.

Все передовые страны, в том числе Россия, Япония, Норвегия, Голландия и США, располагают широкой сетью лабораторий и крупных научно-исследовательских институтов, ведущих широкие исследования, которые позволили добиться ощутимых результатов в вопросах совершенствования конструкций, повышения их надежности и уменьшения массы.

Особенно важно отметить достижения России по созданию новых материалов и конструкций для судов ледового плавания, которые обеспечат круглогодичную эксплуатацию СМП (см. статью “Суда ледового плавания”Транспортные суда ледового плавания).

Проектирование конструкций с минимальной массой — трудная задача из-за противоречивости предъявляемых к ним требований. Необходимо обеспечить прочность и надежность работы конструкций, рекомендуемые размеры отдельных элементов, обеспечивающих минимальные расходы стали.

Будет интересно: Общий продольный изгиб и общая продольная прочность корпусных конструкций судна

Уменьшения массы отдельных конструкций и всего корпуса судна можно достичь за счет рационализации проектных решений с целью уменьшения изгибающих моментов и срезывающих сил, действующих при общем изгибе корпуса, а также за счет обязательных рациональных рекомендаций по размещению грузов, топлива и балласта в грузу и порожнем.

Использование новых возможностей уменьшения действующих напряжений в потенциально опасных узлах корпуса может способствовать уменьшению массы конструкций за счет повышения величины допускаемых напряжений, улучшения качества изготовления конструкций и уменьшения коррозии за счет использования специальных красок. Так, надежная защита конструкций от коррозии дает возможность уменьшить толщину отдельных конструкций, а значит и массу всего корпуса. Безусловно, при этом необходимо обязательно убедиться в достаточной устойчивости связей корпуса.

Как показали последние исследования, коррозия и износ обшивки и набора по-разному влияют на прочность корпусных конструкций; иногда целесообразно использовать составные профили, назначая запасы прочности на коррозию.

Повышенный износ наблюдается в надпалубных конструкциях судов, подвергающихся сильному обмерзанию. Брызги, срываемые с поверхности волн ветром, оседают прежде всего на холодных поверхностях надпалубных конструкций и палубном грузе, что вызывает увеличение внешних нагрузок. После прихода в порт или входа в поле льда (для промысловых судов) часто вручную проводят околку льда. В результате ударов ломами и кирками повреждаются надпалубные конструкции, а отрывающиеся и падающие льдины деформируют конструкции (рис. 18).

Одновременно с усовершенствованием узлов корпуса судна с целью уменьшения его массы необходимо добиваться экономии металла за счет использования технологических приемов, способствующих уменьшению отходов материалов в процессе постройки судна и использования их для нужд других производств или при изготовлении товаров народного потребления.

Дополнительного уменьшения массы корпуса можно достичь за счет использования составных сварных профилей вместо катаных. Соприкосновение корпуса судна с движущимися на волнении льдинами также вызывает его деформацию и износ. При движении судов во льдах особенно повышенный износ наблюдается при колке льда с разгона — форсировании его.

Ледовые нагромождения и льдины затрудняют вход в ледяные поля, к чему часто прибегают во избежание обмерзания. Промысловые суда, получив предупреждения о надвигающемся шторме, не всегда успевают войти в эти поля льда. Известны случаи гибели судов от обмерзания из-за задержки с уходом в поле льда при внезапном изменении направления движения ураганов. Это иногда наблюдается в северных морях Тихого океана. Такое изменение движения урагана имело место в районе Алеутских островов во время экспериментального рейса работников ДВГТУ на контейнеровозе «Пестово».

Обмерзание по причине большого надводного борта судну не грозило, однако, находясь под проводкой специальных береговых служб, обеспечивающих безопасность плавания, контейнеровоз попал в центр циклона в результате неожиданного изменения направления его движения. Для низкобортных же промысловых судов в таких условиях обмерзание, особенно несимметричное, при сохранении выгодного курса может привести к опрокидыванию. В таких условиях зимой работают многочисленные промысловые суда в Охотском и Беринговом морях. Им помогают ледоколы-спасатели, которые иногда вместе с промысловыми судами подвергаются сильному сжатию льдами. При этом капитаны иногда вынуждены принимать рискованные решения, которые могут увеличить действующие на корпус судов нагрузки и вызвать деформации конструкций.

Предлагается к прочтению: Супер поезда будущего на магнитной подушке

Таким образом, проектируя новые суда, необходимо учитывать условия их будущей эксплуатации. При изменении районов использования судов может потребоваться дополнительное увеличение прочности корпусных конструкций.

Работа в тяжелых природных условиях, особенно во льдах, всегда сопровождается риском получения повреждений конструкций. С целью повышения эффективности работы риск бывает оправдан. Если не рисковать, то можно застрять во льдах и при предполагающихся изменениях погоды подвергнуться опасному сжатию.

В сложных штормовых условиях иногда приходится двигаться с повышенными скоростями, чтобы не быть выброшенными на берег.

Так случилось с пароходом «Валерий Чкалов», который переломился при экстренном отходе от западного берега Камчатки при внезапном изменении погоды. Действия капитана судна А. Кремса были оправданы, и сейчас его именем названо судно Дальневосточного пароходства.

Увеличение толщины некоторых связей в качестве дополнительных запасов на коррозию и износ, хотя и приводит к увеличению металлоемкости и снижению грузоподъемности, часто может быть экономически обосновано. Действительно, во время ремонта на замену изношенных конструкций в отходы уходит некоторое количество стали, еще пригодной для использования. В металлолом идет 60—70% металла, ранее затраченного на изготовление заменяемой конструкции.

Конструкция же имеет такую же массу, как и при постройке судна. Поэтому часто целесообразно еще при проектировании судна назначать размеры связей больше, чем это требуется из условий прочности, чтобы не производить их замену или ремонт в течение эксплуатации судна. Особенно это важно делать для судов со сложным, дорогостоящим оборудованием или круизных, когда для замены конструкций приходится выполнять сложные подготовительные работы по снятию декоративной отделки.

Уменьшение металлоемкости достигается за счет создания рациональных форм конструкции, при которых затраты металла на изготовление отдельных деталей, узлов будут минимальными. Это должно быть учтено при разработке узлов, периодически разрабатываемых и утверждаемых классификационными обществами.

Оценка расчетным путем работоспособности многих конструкций (со сложными узлами, образованными пересечением связей, находящихся в сложном напряженном состоянии) сдерживается из-за отсутствия достоверных теоретических положений, описывающих их работу. Часто такие узлы испытывают местную концентрацию напряжений, что является потенциально опасным, особенно при вибрации после динамических воздействий внешних нагрузок.

До недавнего времени при проектировании конструкций, например в оконечностях, основывались только на опыте эксплуатации построенных судов и иногда опирались на интуицию конструктора. Однако постепенно накапливаются знания в результате натурных экспериментов, делаются попытки подвести теоретическую базу под эксперименты.

Простое уменьшение толщины связей корпуса на основе только расчетных подходов — не выход из положения, при этом возможны дополнительные расходы в связи с необходимостью ликвидации деформаций от резки и сварки, а также преждевременного износа и ремонта. До сих пор в составе корпуса имеются конструкции, которые приходится заменять целыми секциями еще до списания судна. Так, на судах японской постройки типа «Омск» через 20 лет работы полностью износилась целая секция форпика, пришлось ее заменять новой. Средняя же часть оставалась в удовлетворительном состоянии до момента списания. За счет перераспределения металла на всех судах серии при проектировании, а именно утолщения конструкций в форпике и уменьшения толщины связей в средней части, было бы возможно получить общую экономию металла на весь корпус.

Экономии металла при постройке можно добиться также за счет использования новых конструктивных решений перекрытий, например двойных корпусов на ледоколах, танкерах и на плавучих базах.

Создание оптимальных конструкций — многовариантная задача. Предлагаемые решения надо оценивать по разным показателям, отражающим функциональные характеристики конструкций, которые позволяют оценить их наиболее важные характеристики. Однако точность оценки иногда недостаточна по причине погрешностей, которые дают используемые методики.

При постройке большой серии однотипных судов необходимо их первоначальные проекты периодически подвергать пересмотру с целью приспособления к новым требованиям меняющихся условий эксплуатации. Это целесообразно делать и в случае задержки строительства после окончания проектирования. Приспособление будущих готовых судов к меняющимся условиям эксплуатации заставляет вносить существенные изменения в конструкции. Известны случаи, когда построенное судно оказывается более металлоемким в связи с изменением условий его эксплуатации. Так, работа лихтеровоза «А. Косыгин», имевшего мощные ледовые подкрепления, в иных условиях оказалась нерентабельной из-за неприспособленности к этому.

Два судна смешанного плавания типа «В. Дьяконов» с мощными ледовыми подкреплениями, поставленные на постоянные лесные перевозки из Приморья в Японию, совершенно не нуждались в ледовых подкреплениях. В то же время для работы в Арктике другим судам этой серии совершенно необходимо иметь такие подкрепления. Поэтому для принятия оптимальных решений требуется продуманная специализация судов и использование их на тех линиях, для которых они строились.

Изменения требования рынка создают необходимость приспосабливать суда к иным условиям за счет изменения размеров и оборудования. Для этого в мировой практике широко используется размерная модернизация. Так, в ДВ пароходстве увеличили размеры контейнеровозов в связи с переводом их на австралийскую линию.

Такого рода модернизация танкеров типа Т-2 с заменой средних изношенных секций велась много лет. На Дальзаводе средняя изношенная секция с клепаной конструкцией заменялась заранее построенной сварной. При этом носовая оконечность и корма с главными механизмами сохранялись клепаными в первоначальном виде. Как было установлено, еще недавно число судов с ледовыми подкреплениями в некоторых бассейнах намного превышало потребность в них.

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

Проектирование конструкций новых судов с использованием непродуманных решений приводит к появлению нерациональных конструкций. Например, на лесовозах и контейнеровозах без необходимости устраивается удлиненный бак. В результате под его палубой образуется твиндек, куда поместить груз леса и контейнеров труднее, чем при отсутствии удлиненного бака. Кроме этого, устройство удлиненного бака увеличивает массу корпуса и повышает положение центра тяжести всего судна, что нежелательно. Весь груз, располагающийся под удлиненным баком, целесообразнее разместить на верхней палубе.

По-видимому, наклон бортов в трюмах лесовозов и устройство двойных бортов также приводит к уменьшению объемов трюмов. В результате часть груза перемещается на верхнюю палубу. Это повышает положение центра тяжести судна в грузу, что также нежелательно. Двойные борта на контейнеровозах занимают узкое пространство под бортовыми карманами, которое не может быть использовано для установки контейнеров. В то же время оборудованные бортовые цистерны могут использоваться как дополнительные емкости топлива и балласта.

Как удлиненный бак, так и вторые борта увеличивают общую массу судна. Поэтому при проектировании новых судов необходимо проводить обстоятельный анализ целесообразности устройства конструкций, увеличивающих массу основного корпуса. Иными словами, необходимо учитывать специфические особенности судов, определяемые условиями их эксплуатации и функциональным назначением. Это позволит оптимально минимизировать массу корпуса судна.

Прочность отдельных конструкций корпуса при анализе металлозатрат на их изготовление обычно оценивают в упругой стадии их деформирования. При этом возникающие напряжения не должны вызывать усталостных и хрупких разрушений, а также изменений формы конструкций.

При проектировании перекрытий корпуса обычно рассматриваются разные способы пересечения продольного и поперечного наборов, которые значительно отличаются один от другого. Приходится решать, какая система набора перекрытия при выполнении им совершенно определенных функций будет обладать минимальной массой и будет рациональной с точки зрения обслуживания.

Для каждого отдельного перекрытия корпуса, находящегося под действием различных внешних нагрузок, необходимо решить вопрос, какой системе набора следует отдать предпочтение (продольной, поперечной, клетчатой или комбинированной), и принять обоснованное решение о целесообразности использования разных марок сталей. Выбирая оптимальные характеристики каждого перекрытия, следует использовать надежные критерии, от надежности которых зависит степень оптимальности принятия окончательного решения.

Решение многовариантной задачи выбора оптимальных конструкций перекрытий облегчает использование численных методов и ЭВМ. Для этого созданы унифицированные программы, включая программу анализа выбора проектных переменных, формирования задачи, составления уравнений связи и уравнения ограничений, выбора критериев оценки степени рациональности спроектированной конструкции.

Критерий минимальной массы перекрытий позволяет определить возможности уменьшения массы перекрытий и всего корпуса путем нахождения наиболее рационального распределения материала между листами обшивки и подкрепляющими их балками набора. Отдельные перекрытия должны обязательно надежно опираться на соседние перекрытия. Толщины листов обшивки должны согласовываться с размерами элементов сечений балок набора.

Давление воды и грузов на корпус воспринимается в первую очередь листами обшивки (пластинами). Эти давления в виде реакции нагрузки передаются на балки набора, подкрепляющие листы обшивки. Сами балки набора поддерживаются более высоким рамным набором, на который и передаются нагрузки в виде реакций в узлах соединения. Одновременно все перекрытия выполняют свои функции как отдельные части сложной инженерной системы — корпуса судна. Набор, подкрепляющий листы обшивки, должен располагаться с учетом обеспечения условий ухода за конструкциями при их изготовлении, ремонте и обслуживании и одновременном выполнении требований минимальной массы.

Критерий использования кубатуры помещений дает возможность при проектировании корпуса обеспечить наименьшую степень загромождения внутренних помещений и тем самым увеличить полезные объемы для размещения грузов, пассажиров и членов команды, создав им соответствующие условия внутри корпуса для проживания и перемещения по судну. Особое внимание при этом должно уделяться удобству коммуникаций и возможности наблюдения за поведением груза во время качки.

Этот критерий зависит от выбора расстояний между соседними балками продольного и поперечного набора и оказывает существенное влияние на технико-экономические показатели всех листовых конструкций, ограничивающих отдельные помещения. Расположение набора необходимо согласовывать с расположением изоляции. Это особенно важно для промысловых судов и рефрижераторов, где изоляция перемещается в разного рода объемные панели.

Увеличение расстояния между балками набора облегчает изготовление конструкций, однако при этом масса перекрытий увеличивается. Увеличение продольной и поперечной шпации (расстояния между балками набора) способствует значительному уменьшению трудовых затрат на изготовление и уход за конструкциями. За счет этого увеличивается надежность их работы и долговечность. Однако увеличение шпаций вызывает необходимость установки более высоких балок набора, что занимает дополнительные объемы. Критерий же минимальной массы предполагает незначительное расстояние между балками набора небольшой высоты.

Критерий эффективности эксплуатации требует учета разнообразных обстоятельств для разных условий, в которые попадает судно после постройки. Сегодня благодаря узкой специализации построенных судов удается получить наибольшую прибыль от их работы. Добиться этого для судов-трампов очень трудно, однако некоторые разумные ограничения их использования могут повысить эффективность работы.

Упрошенная форма узлов конструкций корпуса целесообразна на судах, работающих в сложных условиях при сокращенном экипаже и продолжительных стоянках в портах под грузовыми операциями и в ремонте. Этому способствует всемерное уменьшение сложных конструкций с:

• бракетами,
• кницами,
• прерывистыми связями и вырезами.

В этом отношении заметными преимуществами обладает русская система набора перекрытий Бубнова (стрингерная система), достоинства которой неоднократно отмечались и будут еще подвергаться анализу.

Очень важно при использовании критериев прочности учитывать действие всех внешних нагрузок в разных условиях эксплуатации.

Кроме общего продольного изгиба, корпус судна подвергается воздействию дополнительных нагрузок, вызывающих деформации и напряжения в конструкциях. Эти внешние и внутренние нагрузки относят к нагрузкам поперечной прочности. Они вызывают деформацию поперечных сечений из-за неуравновешенности внешних и внутренних сил, включая массу самого судна и расположенных на нем грузов и балласта. Данные нагрузки действуют независимо от нагрузок, вызывающих общий продольный изгиб корпуса судна, как балки переменного по длине сечения при сохранении его поперечных сечений.

К числу нагрузок поперечной прочности относятся следующие:

• возникающие под действием массы самого корпуса судна, грузов, размещенных на нем, и балласта;
• гидростатические и гидродинамические;
• инерционные, возникающие при движении судна, особенно при его качке.

Масса конструкций, балласта и груза — это постоянные нагрузки, равнодействующие которых приложены в центре тяжести соответствующих составляющих.

Гидростатические нагрузки представляют собой статические нагрузки от давления воды снаружи корпуса, а гидродинамические — ударные, действующие снаружи корпуса и возникающие при движении судна на волнении.

Общее давление на корпус определяется как сумма гидростатических и гидродинамических нагрузок.

Различные классификационные общества используют свои эмпирические формулы для определения давления воды (рис. 19) — это величины изменяющихся высот давлений.

Инерционные нагрузки, возникающие при движении судна, связаны с действием собственной массы корпуса, массы грузов и балласта из-за ускорений, возникающих при качке и оказывающих воздействие на конструкции. Дополнительные силы инерции — следствие работающих гребного винта и механизмов, расположенных внутри судна.

Конструктивные сложности корпусных перекрытий и трудности определения внешних нагрузок до сих пор не позволяют гарантировать полную надежность сварных конструкций на построенных судах. Надежность корпусов клепаных судов была выше, чем сварных, однако и на них имелись конструкции, которые требовали усовершенствования. При переходе на сварку именно эти конструкции получали повреждения в ходе эксплуатации судов. С целью усовершенствования сварных конструкций неоднократно использовались подвижные клепаные соединения. Устройство подвижных соединений в местах возникновения высокой местной концентрации напряжений, которую не удается уменьшить обычными способами, рекомендуется и в настоящее время.

До сих пор из-за распространения возникающих трещин в прерывистых связях имеют место переломы судов, и судостроители вынуждены уделять пристальное внимание анализу этих катастроф. Почти одновременно с переломом российского танкера «Находка» переломилось кипрское судно «Альбион ту», в результате чего погибло 25 человек команды.

Обстоятельства гибели судов в результате переломов, в том числе в носовой части, обсуждались на последних международных конференциях, где были названы новые причины, вызывающие эти катастрофы. Обстоятельства, сопровождающие переломы корпусов судов в бурном море, часто очень похожи, поэтому их бывает трудно отнести к категории случайных. К сожалению, однако, не все морские трагедии подвергаются детальному изучению, недостаточное внимание уделяется выяснению влияния на повреждения остаточной концентрации местных напряжений, особенно на судах, длительное время находящихся в эксплуатации. Статистика гибели судов показывает, что за период 1985—1989 гг. более 67% погибших судов имели возраст свыше 15 лет, а 35% — свыше 20 лет.

В последнее время большое значение придается обновлению стареющих судов. Это может несколько уменьшить аварийность, однако мероприятия должны сопровождаться увеличением остаточной усталостной прочности за счет использования подвижных соединений. Это много лет делается на Дальнем Востоке.

Данные о повреждениях российских старых судов за 1997 г. также свидетельствуют о том, что их аварийность больше, чем новых. Действительно, суда, имеющие срок эксплуатации более 20 лет, получили 40% повреждений, и только 13% — суда моложе 10 лет. Это обстоятельство явилось причиной проведения более детальной оценки технического состояния судов. С июля 1997 г. это делается Российским Морским Регистром судоходства, который предъявляет повышенные требования к технадзору за судами, возраст которых превышает 20 лет и которые не имеют документов об обновлении (реновации). Однако обновление корпусов должно сопровождаться дополнительными мерами, позволяющими уменьшить концентрацию местных напряжений и более точно учитывать возможности их появления в чрезвычайных условиях эксплуатации.

В многочисленных авариях, в том числе посадках на мель, имевших место в разных странах, всегда проявляют себя прежде всего недоброкачественные конструкции. Износ конструкций уменьшает запас прочности и ведет к массовому появлению трещин. Не следует забывать, что такое происходило и со многими клепаными судами. Таких примеров в учебниках, монографиях и отдельных статьях за 50 лет опубликовано очень много.

В большинстве случаев использование официальных рекомендаций при реконструкции поврежденных конструкций сварных судов не дает положительных результатов, о чем свидетельствуют повторные повреждения подвижных соединений на судах дальневосточных пароходств. В этом отношении интерес представляет случай с ликвидацией повреждений на двух однотипных экспедиционных судах «Абхазия» и «Белоруссия». На первом реконструкция была проведена с использованием подвижных соединений, а на втором — обычными методами. После жестоких штормов новые конструкции остались целыми на первом судне и вновь разрушились на втором.

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

Применение подвижных соединений на многих других судах вместо рекомендованных сварных позволило надежно реконструировать поврежденные конструкции, что подтвердила эксплуатация. Во время проведения экспериментов на «Пестово» было установлено, что на однотипном контейнеровозе «Первомайск» повреждения отсутствовали вообще. По-видимому, это судно еще не попадало в жестокие штормовые условия при низких температурах, хотя на нем имелись такие же дефектные конструкции, как и на т/х «Пестово».

До тех пор пока, например, т/х «Енисей» не сел на камни, дефектные конструкции на нем не обнаруживались. На двух судах типа «Пионер» были получены повреждения в углах грузовых люков в районе миделя в штормовых условиях при низких температурах. Позже дефектные конструкции на них были модернизированы. На остальных судах этой большой серии повреждений не было, поэтому модернизации они не подвергались и благополучно плавали с дефектными конструкциями. Это подтверждает тот факт, что повышенные местные напряжения проявляют себя только в сложных условиях эксплуатации при специфических силовых воздействиях, прежде всего при воздействии больших динамических нагрузок.

Критерий выбора стали позволяет уменьшать массу корпуса за счет изготовления наиболее напряженных конструкций из сталей повышенной прочности (СПП), а также из легких сплавов. В подводном кораблестроении широкое использование получили титановые сплавы. Однако транспортный флот еще много лет будет продолжать использовать сплавы на базе железа, в том числе плакированные СПП. С целью повышения их надежности, уменьшения износа в целях безопасности судов во всех странах ведутся большие исследования.

Еще акад. А. Н. Крылов подчеркивал, что технические характеристики построенных и строящихся кораблей находятся в прямой зависимости от свойств стали, используемой для изготовления их корпусов. Поэтому процесс совершенствования качества стали будет продолжаться. Особое значение для судостроения имеют стали, способные предотвращать распространение трещин, имеющие высокую вязкость и свариваемость. Эти качества улучшаются за счет различных легирующих добавок и новых технологий производства СПП. Очень важно, что поверхность сталей СПП имеет лучшее качество и структуру зерен, чем обычная судостроительная.

Классификационные общества уменьшают толщины связей из СПП, используя критерии, зависящие от предела текучести с учетом коррозии. Однако необходимо знать, что усталостная прочность конструкции из СПП не увеличивается пропорционально напряжениям текучести. Это свойство следует учитывать при проектировании конструкций в районах с высокими местными напряжениями.

Выбор конструкций, которые целесообразно делать из СПП, представляет сложный процесс. Уменьшение их массы иногда сопровождается значительным увеличением расхода материала и затрат на изготовление. Поэтому не всегда обыкновенные судостроительные стали имеет смысл заменять на СПП.

Многовариантными расчетами установлено, что чем больше длина судна L, тем целесообразней для изготовления конструкций использовать стали более высокой прочности. Ниже указаны ориентировочные пределы текучести тех сталей, которые целесообразно использовать для постройки судов разной длины.

Использование тех или иных категорий стали зависит от толщины листов и балок и положения элементов в корпусе.

В японской практике на навалочнике сталь более высокой категории рекомендовалось использовать только для палубного настила у продольных комингсов люков, в районе соединения палубного стрингера — у ширстрека и для продольных балок палубы. В отечественной практике СПП давно уже используются при постройке больших транспортных судов в значительно большем объеме. На всех судах смешанного плавания из СПП делаются продольные непрерывные комингсы, а также если фальшборты используются в качестве прочных связей, присоединяя их к выступающей кромке ширстрека, или в качестве дополнительной продольной связи на износившихся судах.

Таким образом, удачное согласование противоречивых требований, предъявляемых к конструкциям различных типов судов, позволяет удешевить постройку, эксплуатацию, ремонт и обеспечить их высокую надежность. При этом одновременно решается и задача максимальной экономии материалов, идущих на постройку металлического корпуса, в том числе сталей разных марок и других материалов.