.

Методы выбора размеров и формы судовых корпусных конструкций

Размер конструкции корпуса обусловлен изначально заданными параметрами на этапе разработок судового проекта, когда рассчитываются все значения для придания элементам нужной формы и размера.

Правила постройки судов и Нормы прочности Российского Морского Регистра судоходства

Судостроение имеет многовековую историю, которая восходит к глубокой древности, кораблестроительная наука же возникла сравнительно недавно. В книге «Наука морская», изданной в Санкт-Петербурге в 1774 г., автором которой был кораблестроитель Н. Курганов, отмечалось, что:

«строение судна производилось без правил, зная только, что острые носы и узкие кормы много способствуют доброму ходу, что высокие борты защищают от волнения… что судам, назначенным для плавания подле берегов и через мели, должно быть плоскодонным, а открытого моря — острокильным и что мачта должна быть равна длине судна».

В этой же книге автор сообщает о том, что в 1680 г. король Франции Людовик XIV собрал выдающихся кораблестроителей и опытных моряков своего времени и поручил им разработать положения о «пропорции и фигуре корабля». Эти положения в 1689 г. его указом были утверждены, хотя Н. Курганов отмечал, что составление основанных на научных предпосылках совершенных правил в короткие сроки невозможно, так как требует многолетнего опыта. Документ представлял собой свод статистических данных и не был научно аргументирован.

Первые научные работы в области теории корабля, выполненные Ньютоном, Буггером и Эйлером, появляются в XVII в. Позднее Д. И. Менделеев заметил, что использование в судостроении ошибочных положений, предложенных Ньютоном, на долгие годы задержало развитие науки, а использование «математического анализа в мало исследованной области знаний придает ей лживый образ некоторой закономерности, отбивающей охоту от изучения предмета опытным путем». В 1894 г. в России был создан опытовый бассейн, сыгравший исключительную роль в деле восстановления русского флота после Русско-японской войны.

В это время великие русские кораблестроители И. Г. Бубнов, А. Н. Крылов и адмирал С. О. Макаров принимали активное участие в разработке научных основ кораблестроения.

Долгое время рекомендации для проектирования судов составлялись путем изучения и обобщения практики эксплуатации судов в море, при этом конструктивные типы хорошо зарекомендовавших в эксплуатации судов принимали за прототипы для составления положений для судовладельцев и мореплавателей. Сбором данных и их сообщением занимались частные фирмы прежде всего морских держав, Англии и Голландии. Так, правила Английского Ллойда составлялись на основе многолетнего сбора фактических материалов работы транспортных судов; они рекомендовали выбирать размеры конструкций корпуса судна главным образом в зависимости от его главных размерений. При этом особенности расположения грузов, характеристики формы корпуса и скорость судов во внимание не принимались.

Конструкция корпуса транспортного судна
Судно с удлиненной корпусной конструкцией
Источник: Foter.com

Размеры отдельных элементов конструкций определялись правилами в зависимости от местных нагрузок; предполагалось, что они будут действовать так же, как это происходило при эксплуатации судов данного типа. Опыт же позволял выявить только случаи недостаточной прочности конструкций, не давая возможности оценить избыточную прочность и уменьшения размеров связей до целесообразных. Необходимо заметить, что в состав корпуса по традиции включали конструкции, которые давно потеряли свое функциональное значение, но из-за «незнания» этого их оставляли во избежание худшего.

При составлении старых правил много лет использовался критерий продольной прочности судна (нормирование расчетного момента сопротивления площади миделевого поперечного сечения), разработанный в 1913—1915 гг. Английским Комитетом по грузовой марке.

Правила о грузовой марке предлагали руководствоваться общей зависимостью минимального момента сопротивления от основных размерений судна с вполне определенными стабильными характеристиками, обычными для судов начала XX в. После стремительного развития судостроения и изменения характеристик судов у них при одних же размерах оказывались совершенно разные расчетные изгибающие моменты и величины напряжений.

В настоящее время правила классификационных обществ служат целям быстрого определения прочных размеров конструкций судов разных типов и часто перерабатываются на основе современных расчетных методов. В распоряжении судостроителей имеются Нормы прочности, используя которые можно рассчитывать размеры большей части корпусных конструкций судов новых и перспективных типов. Эти же Нормы служат и для проверки прочности судов, связи которых выбраны по правилам классификационных обществ. Современные Правила содержат также рекомендации для выбора отдельных конструкций, размеры которых пока еще нельзя определить расчетным путем.

Действующие Правила Регистра, основаны на расчетных методах и, так же как Нормы прочности, часто перерабатываются и уточняются.

При использовании правил необходимо помнить, что некоторые их положения могут устареть, не учитывать особенностей относящихся к судам новых конструктивных типов. Все классификационные общества регулярно вносят коррективы в свои Правила, рассылая информацию об этом заинтересованным лицам и организациям.

В передовых морских странах существуют свои классификационные общества, одиннадцать из которых входят в Международную ассоциацию классификационных обществ (МАКО).

Изменения, происходящие в мировом хозяйстве, и связанные с этим перемены в судоходстве и судостроении находят отражение в Правилах, что приводит к появлению в них новых требований и целых разделов. Так, освоение новых районов Мирового океана, прежде всего арктических, определило новый подход к классификации категорий ледоколов и судов ледового плавания и к их конструкции. Эта работа проводится под наблюдением Международной морской организации (ИМО) с целью согласования требований классификационных обществ разных государств, имеющих интересы в этом регионе. В проекте новых правил к запасам ледовой прочности конструкций предъявляются особые требования, которые должны быть достаточны для предотвращения опасных повреждений, бухтин и вмятин. Ледовые повреждения рассматриваются как результаты случайного одноразового воздействия нагрузки, превышающей предельную.

Читайте также: Напряжения в корпусе судна при его общем продольном изгибе

Развитие компьютерной техники и численных методов дает возможность быстро реагировать на изменяющиеся желания заказчиков и условий рынка с целью усовершенствования судов старых конструктивных типов и создания новых. Правила пока не успевают за столь быстрыми переменами, поэтому новые проекты иногда игнорируют те или иные положения Правил, однако в этом случае необходимо получать одобрение классификационными обществами нововведений. При этом проектант должен обосновать их необходимость и рациональность, используя математические модели и эксперименты.

Процедура использования новых предложений до введения изменения требований в Правила неоднократно применялась нами на практике при модернизации судов ледового плавания (СА-15, «Самотлор», «Капитан Цируль») и ледоколов, а также при подкреплении ряда новых транспортных судов, получивших повреждения от воздействия динамических нагрузок при слеминге в бурных морях Дальнего Востока. Об этом ниже будет сказано подробнее.

Судно Highland Chieftain
Морское судно снабжения Highland Chieftain на Гданьском рейде
Источник: Foter.com

При разработке проектов новых судов стремятся прежде всего удешевить их постройку, хотя рыночная стоимость материалов и особенно топлива часто меняется в сторону удорожания. Это привело к использованию на судах механизмов, работающих на более дешевых сортах топлива, и в результате к некоторому снижению скорости. При проектировании судов с большей специализацией возрастают требования к рациональному проектированию конструкций с целью уменьшения затрат труда на их изготовление и приобретение материалов для них.

Правила классификационных обществ, и в том числе отечественные, рекомендуют использовать сложные формулы, отражающие особенности работы отдельных конструкций под действием нагрузок. Это позволяет учитывать действительное распределение напряжений и надежно оценивать с помощью критериев прочности степень рациональности различных выбираемых конструкций.

Правила и нормы должны учитывать особенности работы конструкций, а их требования основываться на расчетной методике, соответствующей современному уровню науки и техники. Только тогда возможны проектирование и постройка судов, обладающих хорошими мореходными качествами и достаточной надежностью в самых сложных погодных условиях, а также долговечностью и ремонтоспособностью.

Выбор размеров конструкций по Правилам Российского Морского Регистра судоходства

Российский Морской Регистр судоходства собирает сведения об эксплуатации судов, в том числе в самых сложных условиях плавания, с целью выработки Правил, отвечающих современным требованиям международных организаций, определенных рекомендаций, согласованных с международными организациями, прежде всего с ИМО и МАКО (Международная ассоциация классификационных обществ). Обе эти организации разрабатывают и распространяют наивысшие стандарты безопасности плавания на море и предотвращения загрязнения окружающей среды. В Правила всех международных классификационных обществ включены нормативы МАКО, являющиеся обязательными в качестве общего стандарта для всех национальных классификационных обществ. Многие из них расширяют сферу своих услуг и влияния, разрабатывая отдельные перспективные задания.

Так, Российский Морской Регистр судоходства много лет разрабатывает требования к ледоколам и судам ледового плавания с целью создания унифицированных требований МАКО и Полярного кодекса ИМО. В последнее время им предложены новые расчетные зависимости для определения ледовых нагрузок на корпус судна, предложена классификация категорий судов, плавающих во льдах, разработаны нормы прочности гребных винтов и гребных валов для судов ледового плавания.

Пассажирское судно Grandiosa
Пассажирское судно MSC Grandiosa в Роттердаме
Источник: Foter.com

Участие Регистра в международных организациях ИМО и МАКО создает условия для широкого использования иностранного опыта при совершенствовании своих Правил.

Не имея своих научно-исследовательских подразделений, Российский Регистр сотрудничает с научно-исследовательскими институтами и с университетами, в том числе и с ДВГТУ, при разработке новых правил и норм.

Особое внимание уделяется уточнению практических методов расчета нагрузок, критериев общей и усталостной прочности корпуса и влиянию коррозионного износа корпусных связей. Достигнутый общий прогресс в области расчетов прочности конструкций корпуса дал возможность Регистру разработать новые Нормы прочности морских судов, повысить стандарт безопасности. Достижению этой цели способствовала согласованная работа всех членов МАКО, морских администраций, судовладельцев и страховых компаний.

Регистр имеет право после рассмотрения соответствующих документов дать разрешение на использование конструкций и материалов, отличающихся от рекомендуемых Правилами, с учетом международных соглашений.

До начала постройки судна в Регистр представляют на рассмотрение и утверждение техническую документацию в объеме, предусмотренном Правилами. После одобрения документации на чертежах и расчетах ставится штамп Регистра.

Основываясь на требованиях Правил, можно выбирать расстояния между балками продольного и поперечного наборов с учетом требований технологии изготовления. В целях экономии веса оптимальное расстояние между поперечным и продольным набором должно было бы приниматься 150—300 мм, однако это технологически невыполнимо, поэтому приходится увеличивать эти расстояния для проведения работ по сборке и сварке.

Предлагается к прочтению: Корпус судна и предъявляемые к нему требования

Выбрав расстояние между балками набора для обеспечения достаточной местной прочности и устойчивости с учетом рационального распределения материала в верхнем и нижнем поясках поперечных сечений корпуса, определяют толщины листов. При этом из технических соображений она не может быть принята меньше рекомендованной.

Сферой деятельности Регистра является также освидетельствование судов, надзор за их эксплуатацией, предоставление классификационных услуг, оказание технической помощи и организация научно-исследовательских работ с целью совершенствования Правил и Норм. Регистр следит за выполнением международных требований, предъявляемых к судостроению и судоходству.

Признание международными институтами страховщиков класса Регистра способствует получению судовладельцами России более выгодных условий страхования судов и грузов, а также льгот: при спорах судовладелец освобождается от необходимости доказывать факт мореходности своего судна. За рубежом имеются многочисленные представительства и участки надзора Регистра.

Выбор размеров корпусных конструкций с помощью расчета прочности

Впервые в мировой практике судостроения расчетные методы проектирования судовых конструкций использовались еще в начале XX в. Тогда за границей только начали обобщать опыт работы судов с металлическими корпусами и глубоко анализировать их поведение в море на волнении. В это же время в России появились работы А. Н. Крылова по расчету качки, которые получили премию Английского общества кораблестроителей. И. Г. Бубнов, использовав расчетные методы, спроектировал конструкции больших военных кораблей. Эти конструкции до сих пор претерпели незначительные изменения.

Дальнейшему развитию расчетных методов при проектировании транспортных судов посвящали ряд работ Ю. А. Шиманский, П. Ф. Папкович, О. М. Палий, Г. В. Бойцов, Г. О. Таубин, В. А. Постнов и многие другие. Весьма заметную роль в развитии расчетных методов проектирования, прежде всего для речных судов и судов смешанного плавания, сыграли многочисленные работы проф. И. Н. Сиверцева и Б. Н. Смолькова. Начиная с 1939 г. И. Н. Сиверцев приступил к разработке курса «Проектирование судовых конструкций» с целью обоснования возможности использования расчетных методов при проектировании конструкций речных судов. Это было связано с необходимостью оптимизации шпации для продольного и поперечного наборов при минимальной толщине обшивки судов, а также размеров продольных и поперечных ребер и расстояния между соседними ребрами.

Для выполнения расчетного проектирования должны быть известны формы поперечного сечения корпуса и размеры последнего, размещение палуб, второго дна, второго борта, продольных переборок и надпалубных конструкций.

Судовой буксировщик
Буксирное судно типа РБТ
Источник: Foter.com

Расчетное проектирование поперечного сечения корпуса основывается на идеях, предложенных проф. А. А. Курдюмовым и позже развитых и уточненных в ряде работ. Были получены простые расчетные приемы для определения размеров основных продольных связей корпуса судна.

Оптимизировать конструкцию для достижения минимальной массы помогает выбор оптимальных высот стенки и площади поясков балок набора. При проектировании поперечного сечения корпуса (оптимальной массы) необходимо учитывать влияние отдельных связей на изменение момента сопротивления в любой точке сечения в результате добавления или снятия малой площади в заданном районе сечения (см. статью “Влияние изменения материала по высоте на момент сопротивления поперечного сечения корпуса”Напряжения в корпусе судна при его общем продольном изгибе). В поперечных сечениях корпуса судна-балки распределение площади между отдельными связями не соответствует их роли в создании момента инерции этих сечений, так как размеры сечения некоторых связей назначаются большими по эксплуатационным или технологическим соображениям. Тем не менее задачей расчетного проектирования продольных связей корпуса при известной величине изгибающего момента, действующего в данном поперечном сечении, и известных допускаемых напряжениях является рациональное распределение материала между обшивкой и набором с учетом требований их изготовления и эксплуатации.

Современная расчетная практика выбора целесообразных размеров сечений продольных связей в поперечных расчетных сечениях корпуса судна предполагает нормирование следующих величин:

Для расчета размеров продольных связей поперечного сечения необходимо иметь теоретический чертеж расчетного поперечного сечения и схему набора корпуса судна для определения протяженности продольных связей и прерывающихся конструкций. Это позволит решить, какие продольные связи можно включать в расчетное сечение. Следует установить значение расчетных изгибающих моментов и перерезывающих сил для каждого поперечного сечения и расчетные нагрузки на палубу и днище для вычисления суммарных напряжений от общего изгиба σ1 и от изгиба перекрытия под действием поперечной нагрузки σ2 (давление воды на днище и давление груза на палубе).

Зная механические качества стали, из которой будут изготовлены конструкции, и систему набора, когда судно находится только под действием общего продольного изгиба в вертикальной продольной плоскости, форму и размеры поперечного расчетного сечения, а также размеры связей, задаваемых из проектных соображений, определение поперечного сечения продольных связей можно свести к единственному решению. В этом случае при полном использовании материала конструкций, когда напряжения в основных связях меньше допускаемых, но близки к ним, можно получить минимальную массу продольных связей. Задача значительно усложняется, если необходимо варьировать форму расчетных поперечных сечений и их размеры, высоту двойного дна и положения надпалубных конструкций, продольных переборок и двойных бортов.

Оптимизация размеров поперечных расчетных сечений корпуса затрудняется ограничениями, связанными с требованиями предельно допускаемых толщин, а также технологией изготовления и с учетом износа и коррозии. Поэтому приходится не только оптимизировать конструкции по массе, но также обеспечивать многочисленные технические и экономические требования.

При оптимизации размещения продольных связей по поперечному сечению корпуса необходимо иметь в виду, что нейтральная ось поперечного сечения почти всегда располагается не по середине высоты последнего, а обычно ближе к днищу, продольные связи которого участвуют не только в общем продольном изгибе, но и в восприятии усилий от местного изгиба под действием поперечных нагрузок. Это приводит к утолщению этих связей и вызывает смещение нейтральной оси ближе к днищу.,

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

Особенно большое влияние на положение НО поперечного сечения корпуса сухогрузных судов оказывает степень раскрытия верхней палубы. В результате площадь верхнего пояска поперечного сечения по мере увеличения вырезов уменьшается и НО сечения перемещается ближе к днищу. Чтобы повысить положение НО поперечного расчетного сечения, целесообразно было бы уменьшить толщины листов настила второго дна, но не на всех судах это возможно осуществить. Например, на рудовозах листы настила второго дна приходится значительно утолщать, учитывая большой износ их от выгрузки руды грейферами и от ударов при ее погрузке.

Из приведенных примеров очевидно, что положение нейтральной оси на сухогрузных судах определяется их конструктивным типом, т. е. особенностями конструкции и назначением судна.

При расчете размеров поперечных сечений продольных связей используют принцип приведения толщин. Приведенной толщиной называется толщина связи, включающая в себя не только фактическую толщину данной связи (например, листа настила палубы), но и суммарную площадь ребер жесткости, установленных по рассматриваемой листовой связи. Это значит, что общая площадь ребер, расположенных на связи, увеличивает площадь поперечного ее сечения.

Приведенная толщина:

σ=t+fb1bc,

где:

  • t — толщина листа;
  • f — площадь отдельного ребра;
  • b — расстояние между ребрами;
  • с — ширина данной продольной связи (листа).

Если величина требуемого минимального момента сопротивления для наиболее удаленных связей расчетного поперечного сечения задана и положение НО этого сечения известно, то можно составить два уравнения с целью определения приведенных толщин продольных связей.

Первое уравнение — равенство момента инерции расчетного поперечного сечения требуемому:

I=Wzi,

где:

  • I — момент инерции поперечного сечения;
  • W — момент сопротивления наиболее удаленных от НО связей;
  • zi — расстояние от НО до наиболее удаленной палубной связи.

Второе уравнение — равенство нулю статического момента площадей связей поперечного сечения корпуса относительно НО (она проходит через ЦТ сечения).

Из этих двух уравнений определяют приведенные толщины основных, наиболее удаленных от НО связей поперечного сечения, а именно приведенные толщины настила верхней палубы и обшивки днища. Разным положениям НО соответствуют разные величины приведенных толщин палубы и днища. После этого толщины продольных связей борта, настила второго дна, промежуточных палуб и продольных переборок выражают через две основные приведенные толщины палубы и днища, исходя из условия обеспечения местной прочности, или назначают минимально допустимыми согласно требованиям Правил Регистра.

Задача определения приведенных толщин продольных связей заключается в том, чтобы НО в поперечном сечении заняла такое положение, при котором суммарные напряжения в продольных связях днища и второго дна от общего продольного изгиба и изгиба перекрытия равнялись допускаемым напряжениям.

Волновая нагрузка на судно
Погружение носовой части корпуса судна при волнении

Рассчитав приведенные толщины, необходимо из их площади выделить некоторую часть на продольные ребра, размещая их на рациональном расстоянии одно от другого. При этом надо определить высоту продольного набора, площадь поперечного сечения отдельных его связей и распределение материала между стенками и поясками набора. Они должны обеспечивать достаточную прочность и устойчивость корпуса судна при действии суммарных напряжений от общего изгиба.

Определяя приведенные толщины, конструктор должен иметь в своем распоряжении конструктивное поперечное сечение проектируемого судна, на котором представлена форма сечения, показано расположение палуб, второго дна, вторых бортов, продольных переборок, днищевых стрингеров, карлингсов, надпалубных непрерывных конструкций (см. рис. “Поперечное сечение продольных связей, обеспечивающих общую продольную прочность корпуса”Напряжения в корпусе судна при его общем продольном изгибе).

Через приведенные толщины днища δ0 и верхней палубы δ1 необходимо выразить толщины всех остальных продольных связей, попадающих в поперечное расчетное сечение.

Зная величину действующего в расчетном поперечном сечении изгибающего момента, при заданных допускаемых напряжениях минимальный момент сопротивления палубы W = Мρдоп. Чтобы определить требуемый при этих условиях момент инерции поперечного сечения, необходимо знать положение нейтральной оси последнего. Для этого следует воспользоваться статистическими материалами по разным типам судов. Необходимо отметить, что возвышение положений НО над основной линией е может значительно изменяться. Кроме конструктивного типа судов на положение НО значительное влияние оказывает также длина судна.

Для обыкновенных сухогрузных судов длиной от 100 до 200 м:

e0,44 D,

где:

  • D — высота борта.

Для судов с широким раскрытием палубы эта величина может значительно уменьшиться. Если для танкеров без двойного дна длиной от 100 до 200 м считалось, что е ≈ 0,5 D, то на танкерах с двойным дном эта величина меньше.

Вычислив минимально необходимую величину момента сопротивления верхнего пояска поперечного расчетного сечения Wп и установив расстояние НО по высоте сечения от основной плоскости е, можно найти необходимый момент инерции поперечного сечения корпуса:

I=zпWп=(Mp/σдоп)zп.

После этого можно рассчитать в табличной форме поперечное сечение корпуса (см. таблицу ниже), определяя статистический момент поперечного сечения, момент инерции в функции от приведенных толщин δ0 и δ1.

Теперь можно составить два упомянутых выше уравнения для нахождения неизвестных δ0 и δ1.

Первое уравнение имеет вид равенства расчетного момента инерции поперечного сечения требуемому (см. таблицу ниже):

δ1С1+δ0С0+С=(1/2)I.

Второе уравнение имеет вид равенства нулю статистического момента площади и сечения продольных связей расчетного поперечного сечения относительно нейтральной оси:

δ1B1+δ0B0+B=0.

Решение этих двух уравнений дает:

δ0=B1(1/2IC)+BC1B0C1B1C0;

 δ1=B0(1/2IC)+BC0B0C1B1C0.

После этого вместо приведенных толщин определяют конструкции перекрытий из отдельных листов и отдельных продольных ребер жесткости и выбирают профили, необходимые для их изготовления. При этом требуется обеспечить устойчивость листов, подкрепленных этими ребрами, при сохранении рационального расстояния между последними и обеспечении хороших условий при изготовлении и ремонте конструкций. Обязательным требованием является ограничение толщин листов минимально допустимыми толщинами, регламентируемыми Правилами Регистра и соображениями удобства выполнения сварки и резки.

Расчетная форма поперечного сечения корпуса
СвязиНаименование связейF, см2zi, мFzi, см2·мFzi2, см2·м2
Задаваемые связи
СуммаАВС
Связи, размеры которых зависят от σ0, при σ0=1
СуммаА0В0С0
Связи, размеры которых зависят от σ1, при σ1=1
СуммаА1В1С1

Необходимо установить наиболее подходящую для разных характеристик поперечных сечений по длине корпуса судна марку стали по ее пределу текучести, используя соответствующие Нормы. Это можно сделать, предварительно определив приведенные толщины для палубы δ0 и днища δ1.

Выбор рациональной системы набора для различных корпусных перекрытий. Расчетное определение элементов продольных связей эквивалентного бруса

Систему набора для отдельного корпусного перекрытия выбирают, исходя из особенностей проектируемого судна, действующих внешних нагрузок и назначения отдельных конструкций в составе корпуса судна. Обшивка (листы) и набор (профили) должны взаимно располагаться так, чтобы наиболее эффективно обеспечивались общая продольная и местная прочности.

В то же время надо учитывать:

  • технологические соображения;
  • неизбежную коррозию и износ;
  • а также эксплуатационные особенности (окраска, обивка ржавчины, очистка).

Наиболее старой системой набора является поперечная система, которая была вначале скопирована с деревянных судов и представляла собой часто поставленные шпангоутные рамы (через 600—1 000 мм) и небольшое число продольных связей (киль, стрингеры, карлингсы). С увеличением размеров судов обнаружилось, что при поперечной системе набора листы перекрытия обладают малой устойчивостью (листы между соседними балками набора), а начальная погибь этих пластин, образовавшаяся в процессе сварки, отрицательно влияет на степень их участия в общем продольном изгибе.

Учитывая приведенные соображения, на всех судах длиной более 100 м перекрытия, наиболее удаленные от НО поперечного сечения, делают с продольной системой набора (большие размеры панелей ориентированы вдоль длины судна). Такое расположение балок набора следует принимать обязательно, когда используется сталь повышенной прочности. Только продольная система набора позволяет обеспечить достаточно высокую устойчивость листов обшивки и настилов.

Сухогрузные суда длиной меньше 100 м обычно имеют небольшие напряжения в наиболее удаленных поясках поперечного сечения. Это объясняется тем, что из-за запасов на коррозию и износ, а также из технологических и эксплуатационных соображений толщины, прежде всего листов, назначают большими, чем это необходимо для обшей прочности. Поэтому листы обладают достаточной устойчивостью и без продольных ребер, а поперечное сечение листов достаточно, чтобы напряжения от общего изгиба не превышали допустимые.

Борта и нижние палубы сухогрузных судов с несколькими палубами, как правило, конструируют по поперечной системе набора. Это объясняется тем, что эти перекрытия должны иметь прежде всего достаточную местную прочность. Для этого основные балки целесообразно устанавливать параллельно меньшей стороне опорного контура перекрытий. Такой стороной при большом расстоянии между поперечными водонепроницаемыми переборками являются вертикальные размеры бортовых перекрытий; поперечные размеры палубных перекрытий обычно заметно меньше, чем продольные. Поперечная система набора дает возможность уменьшить массу этих перекрытий и сделать менее загроможденными грузовые трюмы. Кроме того, поперечная система бортов позволяет лучше воспринимать ледовые нагрузки, а для отечественных судов это особенно важно.

Авианосец John C. Stennis
Вертолеты SA-330 Puma сбрасывают припасы на кабину авианосца USS John C. Stennis
Источник: Foter.com

Палубные и днищевые перекрытия танкеров — верхний и нижний пояски эквивалентного бруса, за исключением оконечностей, — независимо от размеров судов следует конструировать по продольной системе набора. Борта и продольные переборки могут иметь и поперечную систему набора, особенно на судах, предназначенных для работы во льдах. Продольная система для бортов и продольных переборок способствует уменьшению массы перекрытий, так как расстояние между поперечными переборками на танкерах значительно меньше, чем от днища до верхней палубы.

При использовании гофрированных продольных переборок гофры должны направляться вдоль судна с целью обеспечения их участия в общем продольном изгибе.

К достоинствам поперечной системы набора в оконечностях нужно отнести возможность использования арочного эффекта работы шпангоутных рамок при криволинейных обводах шпангоутов. Такие шпангоуты под действием поперечной нагрузки обладают большей прочностью, чем плоские шпангоуты.

При давлении на флоры, имеющие килеватость, они также работают как арки, а для изгиба арки требуются значительно большие усилия, чем для плоского флора. Так как в оконечностях все шпангоутные рамки имеют килеватость и устанавливаются значительно чаще, чем при продольной системе набора, арочный эффект при поперечной системе используется в большей степени. Это — одна из причин применения поперечной системы набора для перекрытий в оконечностях.

Устойчивость пластин определяется величиной эйлеровых напряжений σэ. При поперечной системе набора они при одинаковых расстояниях между связями набора приблизительно в четыре раза меньше, чем при продольной системе.

Если в оконечностных применяется поперечная система набора, а в средней части продольная, то по длине корпуса будут разные системы набора и потребуется постепенный переход от одной системы набора к другой. Для этого часть продольных ребер перетягивают на части длины перекрытий с поперечной системой набора (см. рис. “Переход одной системой набора в другую в палубном перекрытии”Восприятие корпусными конструкциями внешних нагрузок, действующих на судно). Если этого не делать и обрывать продольные связи в одном поперечном сечении, то два соседних поперечных сечения будут иметь разные площади разные моменты инерции. Резкое изменение системы набора неизбежно вызовет появление концентрации напряжений, чего нельзя допускать.

Наилучшей конструкцией с точки зрения прочности при сочетании двух систем набора была бы такая, которая плавно и постепенно переходила в поперечную, например когда в каждой поперечной шпации обрывалось бы по одному продольному ребру. Но изготовить подобную систему сложно; чтобы избежать жестких точек по концам обрывающихся продольных ребер (см. рис. “Переход одной системой набора в другую в палубном перекрытии”Восприятие корпусными конструкциями внешних нагрузок, действующих на судно), их необходимо заканчивать на балках поперечного набора. При такой конструкции концентрация напряжений оказывается незначительной. Поэтому в одной поперечной шпации у поперечного набора может заканчиваться по нескольку продольных ребер.

Расстояние между поперечным набором при продольной системе набора перекрытия (поперечная шпация) существенно влияет на размеры продольных ребер жестокости палубы и днища и, следовательно, на распределение материала.

С увеличением размеров судов шпация может приниматься большей. Если система набора бортов принята поперечной, то поперечная шпация бортов должна быть кратной поперечным шпациям днища и палубы при продольной системе набора. При этом поперечная шпация палубы и днища обычно в три-четыре раза больше поперечной шпации бортов.

Расстояния между продольными ребрами назначают с учетом обеспечения устойчивости листов обшивки, а их момент сопротивления выбирают из условия обеспечения местной прочности при изгибе между флорами.

Распределяя материал при конструировании настила второго дна, расстояние между продольными ребрами необходимо назначать таким же, как и для ребер по днищу, и располагать попарно в одной вертикальной плоскости. В той же вертикальной плоскости следует располагать и продольные ребра палубы, что обеспечивает конструктивную перевязку с вертикальными стойками поперечных переборок и образование при этом продольных рамок.

Предлагается к прочтению: Ремонт корпуса судна

В заключение необходимо отметить, что надзор и инспекцию судов в иностранных портах осуществляет их администрация в соответствии с положением конвенции ИМО. К субстандартным (не удовлетворяющим требованиям международных конвенций) судам применяются санкции. Владелец, в случае длительного отсутствия судна в своих портах, надзор же за его состоянием осуществлять не в состоянии. Классификационное общество, получив сообщение о несоответствии судна требованиям, может отозвать выданные судну документы, но не может применить к судну или его судовладельцу каких-либо санкций. Мало того, в условиях конкуренции эти общества заинтересованы в том, чтобы судно продолжало работать. Инспекция во всех странах проводится с использованием единых процедур, разработанных в международных «Меморандумах» для конкретных регионов.

Цели такого контроля:

  • выявление неблагонадежных судов, судовладельцев, государств флага и классификационных обществ;
  • применение согласованных санкций к субстандартным судам, их судовладельцам, а также к классификационным обществам;
  • обмен информацией о недостатках, обнаруженных в результате осмотров, статистической информацией об использовании судов.

Нормы МАКО, ИМО, а также Морского Регистра судоходства предусматривают безопасные сроки службы эксплуатируемых судов и их обновления; Нормы прочности устанавливают требования к сро­кам очередных освидетельствований для их подтверждения или уста­новления новых.

В настоящее время под руководством проф. Г. В. Бойцова разрабатываются Нормы прочности новых судовых конструкций. Они подробно обсуждаются ведущими специалистами России; при их разработке учитываются результаты многочисленных исследований иностранных ученых, испытаний крупномасштабных моделей, совместных с ними исследований, а также итоги уникальных экспериментов, проводимых в лабораториях ЦНИИ им. акад. А. Н. Крылова.

Использование этих новых норм возможно только после получения разрешения Морского Регистра судоходства. В них находят отражение последние достижения строительной механики корабля, натурных экспериментов и обстоятельного изучения случаев повреждения конструкций в наиболее тяжелых условиях эксплуатации, итоги их анализа с помощью средств современной вычислительной техники.

Растет число сторонников необходимости использования методов непосредственной оценки прочности, надежности, долговечности, напряженного состояния с помощью метода конечных элементов (МКЭ), ремонтопригодности и безопасности судовых конструкций при их проектировании в дополнение к применению условных методов оценки прочности в соответствии с Правилами классификационных обществ.

Пассажирское судно Le Boreal
Круизное судно Le Boreal в Дублине
Источник: Foter.com

Причина этого — в недостаточном прогрессе в формировании критериев, определяющих прочность конструкций в условиях экстремальных нагружений. Все еще не удается найти надежные конструктивные меры дальнейшего уменьшения величины концентрации напряжений в ряде конструктивных узлов. Весьма приближенно решается задача определения расчетного волнового динамического момента. Не учитывается скорость движения судна на волнении. Обычно ограничиваются рассмотрением упругой стадии деформирования конструкций при использовании заниженных внешних нагрузок.

В новых Нормах прочности, разрабатываемых в настоящее время, делается попытка четкого разделения физических критериев, отвечающих за обеспечение прочности при действии экстремальных нагрузок. Проверка прочности конструкций при действии таких нагрузок основывается на представлении о наличии опасных предельных состояний, когда остаточные деформации заставляют подкрепить конструкции.

Как и раньше, предполагается, что предельное состояние корпуса наступает в наиболее напряженных жестких продольных балках набора при достижении напряжений, равных пределу текучести материала, или потери этими связями устойчивости при сжатии. Оценка прочности производится без учета одновременного действия в поперечных сечениях балок изгибающих, срезывающих и продольных усилий и объемного напряженного состояния.

В порядке обсуждения проект Норм предлагает определять критерии прочности как физико-механический измеритель прочности, учитывающий такое состояние, изменение которого вызывает изменение размеров связей и конструкций узлов, оказывающий влияние на возможность нарушения прочности конструкций во время эксплуатации. Это определение входит в противоречие с представлением, существующим в мировой практике (в том числе и с Нормами прочности 1952 г.), в котором за критерий прочности принималось нарушение формы конструкций.

Проект Норм предлагает в качестве опасного состояния конструкции считать нарушение его формы, препятствующее нормальной эксплуатации судна. Это отрицает практику принятия в качестве предельного опасного состояния при общем продольном изгибе напряжений в крайних волокнах эквивалентного бруса, равных пределу текучести материала, или критических напряжений, сопровождающихся потерей устойчивости отдельными связями. В этом случае не учитываются все возможности конструкций продолжать свою работу в составе корпуса судна.

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

Проверка условий прочности в эксплуатации в новых Нормах предусматривает непосредственный анализ усталостной прочности отдельных конструкций. Допустимый уровень напряжений зависит от усталостной прочности конструктивных узлов, полученной в результате их испытаний, проведенных в ЦНИИ им. акад. А. Н. Крылова. Однако подобные испытания необходимо повторить, учитывая возможность уменьшения концентрации напряжений за счет устройства подвижных соединений.

Весьма положительное влияние в будущем может дать регламентация проверки прочности корпусных конструкций при обновлении корпусов судов, многие годы находившихся в эксплуатации. Сейчас с каждым годом увеличивается объем заказов на судоремонт, что связано с общим старением мирового транспортного флота. Действительно, в конце 90-х годов суда, возраст которых превышал 15 лет, составляли 46%. В 1988 г. таких судов было 30%, а в 1980 г. — 20%. Дальнейшее увеличение объема заказов на судоремонт предполагается в связи с общим старением судов мирового флота.

Сноски
Sea-Man

Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter

Сентябрь, 11, 2020 96 0
Читайте также