.

Корпус судна и предъявляемые к нему требования

Требования к корпусу судна разрабатываются на основе заказанного плавательного устройства. То есть рассматривается целевая направленность судна, его размеры, используемые материалы и открытые или закрытые воды, в которых оно должно курсировать. Поэтому так важно рассчитать все нагрузки и внешние силы, чтобы судно прослужило долгое время без необходимости капитального ремонта.

Корпус судна и его составные элементы. Термины и определения

Судно представляет собой полое обтекаемое тело (сосуд), постепенно сужающееся от середины к оконечностям и от его верхней палубы к днищу. Это тело — корпус — является сложным инженерным сооружением, плавающим на воде, в том числе и на волнении. Большинство современных судов строят из металлов и прежде всего из стали. Отдельные стальные листы, соединенные друг с другом с помощью электросварки, образуют водонепроницаемую оболочку.

Листы оболочки подкрепляют каркасом из ребер (скелетом), образующим систему металлических балок (набор). Передняя часть судна называется носом, а задняя — кормой (рис. 1). Слева и справа корпус ограничивается бортами, снизу — днищем, а сверху — верхней палубой. Судно плавает, погружаясь в воду по ватерлинию — след от поверхности воды на корпусе. На верхней палубе размещаются надстройки, боковые стенки которых служат продолжением бортов. Если стенки надстройки находятся на некотором расстоянии от бортов, то такая надстройка называется рубкой. Носовая надстройка корпуса называется баком, а кормовая — ютом. Над верхней палубой возвышаются мачты, дымовая труба и палубные ростры — короткие рубки.

Схематическое устройство судна
Рис. 1 Основные конструктивные элементы корпуса судна. 1 — ахтерштевень; 2 — кормовая оконечность с ахтерштевнем; 3 — надстройка юта (ют); 4 — поперечный комингс люка; 5 — грузовой люк; 6 — штурманская рубка и навигационный мостик; 7 — лебедочные ростры; 8 — одностержневая мачта; 9 — переходная кница надстройки; 10 — надстройка бака; 11 — носовая оконечность; 12 — наклонный ледокольный форштевень; 13 — продольный комингс люка; 14 — бортовая обшивка; 15 — днище; 16 — секционный сварной шов; 17 — скула

Если с корпуса судна снять наружную обшивку, то под ней будет скелет из целого ряда балок набора, пересекающихся под прямыми углами (рис. 2). Листы наружной обшивки присоединяются к набору с помощью сварки. Сочетание стальных балок и тонких листов наружной обшивки позволяет иметь у корпуса массу меньше, чем если бы корпус состоял из одних толстых листов, не подкрепленных набором.

Внутреннее устройство корпуса судна
Рис. 2 Схема корпуса судна с поперечной (а) и продольной (б) системами набора

В диаметральной плоскости (ДП) в днище судна устанавливается вертикальный киль. Для деревянного судна киль представляет основную связь, обеспечивающую прочность судна (если прочен киль, будет прочным и весь корабль). Это положение для стального судна потеряло смысл, так как его прочность определяется прочностью всей совокупности балок набора.

Параллельно вертикальному килю по днищу идут днищевые стрингеры. Киль и днищевые стрингеры пересекаются поперечными балками — флорами. Киль, стрингеры и флоры, расположенные между бортами и поперечными переборками, подкрепляют наружную обшивку днища и образуют днищевые перекрытия. Бортовая обшивка, подкрепленная набором, состоящим из шпангоутов (поперечные ребра) и бортовых стрингеров (продольные балки), образует бортовые перекрытия. Палубная обшивка, подкрепленная набором, состоящим из бимсов (поперечные балки) и подпалубных балок (продольные), образует палубные перекрытия (рис. 2). Из рисунка видно, что каждое перекрытие, независимо от системы набора, ограничивается другими перекрытиями, которые все вместе образуют корпус судна. Корпус симметричен относительно ДП и вместе с надстройками представляет собой сооружение, поперечные и вертикальные размеры которого много меньше продольных.

На верхней палубе в надстройках и рубках располагаются жилые и служебные помещения. У рубок по бортам имеются проходы по верхней палубе. Надстройки бака обычно одноярусные, в то время как кормовые и средние надстройки многоярусные. Иногда первый ярус надстройки выполняют в виде рубки, в то время как следующие ярусы идут от борта до борта, и их следует уже называть надстройкой. Над верхней палубой воздвигаются мачты, палубные ростры в виде коротких рубок. На них монтируются грузовые краны и лебедки.

Над надстройками возвышаются:

  • труба;
  • сигнальные мачты;
  • радары;
  • компасы и другие навигационные приборы.

Недостаточная надежность отдельных узлов корпусов судов, находящихся в эксплуатации, иногда становится причиной серьезных повреждений и даже гибели судна, поэтому требуется внимательное изучение аварийных случаев мирового флота с целью совершенствования конструкций.

Дисциплина «Конструкция корпуса морских судов» все в большей степени из описательной превращается в логически оптимизационную, использующую сведения и методы смежных наук, прежде всего науки о прочности материалов в составе корпусов судов, эксплуатируемых в разных условиях, а также технологии постройки и ремонта.

Под прочностью корпусных конструкций понимают их способность без разрушения и опасных остаточных деформаций сопротивляться действию на судно нагрузок, которые могут проявиться в наиболее тяжелых условиях эксплуатации. При их проектировании необходимо добиваться минимального веса этих конструкций, простоты их изготовления и ремонта, а также низкой стоимости и возможно меньших расходов на эксплуатацию, осмотр и окраску.

При этом приходится принимать решения путем компромисса, чтобы удовлетворить противоречивые требования.

Например, чтобы сохранить прочность конструкций на требуемом уровне и одновременно уменьшить их вес, приходится использовать более дорогие материалы.

Это ведет к удорожанию их изготовления и усложнению обработки. Однако вес корпуса уменьшится, а грузоподъемность судна увеличится. Одновременно следует наилучшим образом обеспечить их надежность на весь срок эксплуатации судна при плановом ремонте и уходе за корпусом.

При проектировании новых судов приходится учитывать еще и требования международной торговли, перспективы развития регионов и отдельных стран с целью уменьшения транспортных расходов.

Судостроительная отрасль тесно связана с многочисленными другими отраслями экономики. Постройка судов осуществляется при участии более тысячи крупных, средних и мелких предприятий, иногда не только одной страны. Большое количество проектно-конструкторских организаций готовят проектную документацию для заводов, которые будут производить различное оборудование, снабжение и вести строительство судов. Координирующие организации ведут работу с многочисленными фирмами-поставщиками оборудования, материалов, наиболее дешевых и высококачественных, гарантирующих их надёжную работу в течение определенного времени и при периодическом ремонте.

Считают, что ежегодно флот будет пополняться на 22,7 млн peг. т. В большинстве это будут танкеры (около 50%), контейнеровозы (20%), балкеры (22%) и газовозы (6%).

Наибольшее количество новых судов будет, как и прежде, построено в Японии (до 40%) и Южной Корее (около 30%).

В судостроительной промышленности всех стран, конкурирующих между собой за получение заказов на постройку новых судов, регулярно внедряется новая техника, разрабатываются более современные конструктивные типы судов, удовлетворяющие изменяющимся требованиям мирового хозяйствования. Новые разработки, автоматизация и компьютеризация дают возможность уменьшить стоимость постройки новых судов. Например, стоимость постройки судов в Японии была самой низкой, что достигается в числе прочего за счет использования более дешевой рабочей силы в других странах, куда передаются заказы на изготовление части оборудования и механизмов, а иногда и частей корпуса. В результате подобных мер за последние 20 лет количество работающих в судостроительной промышленности Японии сократилось с 200 тыс. человек до 37 тыс. Определенную роль в этом сыграло совершенствование процесса постройки на современных верфях.

В последние годы значительно увеличился объем судостроения и в Южной Корее, который приближается к японскому. Стоимость постройки судов здесь, так же как и в Китае, становится меньше, чем в Японии.

В европейских странах из-за высокой зарплаты рабочих доля нового судостроения все время уменьшается и сейчас не превышает 17% мирового объема. Несмотря на государственные субсидии отрасль не получает должного развития и в условиях конкуренции с азиатскими странами не имеет возможности поставлять на мировой рынок дешевые суда.

Читайте также: Определение и классифицирование нарушения целостности корпуса судов при дефектации

В последние два десятилетия в связи с интенсивным развитием стран Азии заметно изменяются объемы и направления перевозимых морем грузов, однако в основном сохраняются ранее установившиеся взаимоотношения между развитыми и развивающимися странами. Последние по-прежнему остаются источниками сырья для высокоразвитых стран Европы, Америки и Японии. В международных перевозках морем нефти, железа и угля наблюдаются незначительные изменения объемов по сравнению с серединой 80-х годов. Доставка сырья идет из стран, которые обладают большими запасами полезных ископаемых, месторождения которых уже в достаточной степени разведаны. В перспективе ожидаются заметные изменения в связи с освоением месторождений арктических районов.

Условия плавания и их влияние на прочность судна

Плавание судов, обеспечивающих доставку грузов, происходит в самых разных природных условиях, которые необходимо изучать и учитывать. Поэтому корпусные конструкции судов могут значительно отличаться в зависимости от того, где будут эксплуатироваться проектируемые суда. Особенно значительные отличия имеют суда, работающие в Арктике и в замерзающих морях Дальнего Востока. Это связано с тем, что круглогодичная навигация здесь возможна только на судах с ледовыми подкреплениями или с помощью ледоколов.

Северные районы Евразии также характеризуются суровыми условиями плавания с точки зрения волнения и низких температур. В то же время современные суда не всегда могут безопасно преодолевать природные препятствия, работать в сложных погодных условиях, в результате чего получают многочисленные повреждения конструкций, которые в некоторых случаях приводят даже к гибели судов, как это имело место и в последние годы в разных районах Мирового океана.

Во время жестоких штормов и особенно при низких температурах часто происходят повреждения корпуса судна, способные вызвать даже его гибель.

Особую обеспокоенность вызывают всегда конструкции с повышенными местными напряжениями, которые могут вызвать появление трещин, иногда внезапно распространяющихся на большие участки.

Искусство судоводителей заключается в умении в жестоких штормах выбирать курс судна и его скорость, обеспечивающие возможно меньшие динамические волновые нагрузки и нагрузки от оголения гребных винтов. Однако на практике часто возникают громадные волны своеобразной формы, которые вызывают быстрое распространение трещин, появившихся в результате малоцикловой усталости материала конструкций. Концентрация напряжений резко уменьшает усталостную прочность и становится первопричиной быстрого распространения трещин в конструкциях, особенно при низких температурах и ударах корпуса о воду.

Совершенно очевидно, что абсолютная безопасность на море невозможна и необходимо говорить об уменьшении опасности до минимума в результате умелого управления судном и механизмами в море, а также регулярного осмотра корпусных конструкций и ухода за ними. Поэтому для уменьшения возможных ошибок в деятельности человека требуется продолжительная тренировка, приобретение опыта плавания в разнообразных тяжелых условиях, например, во льдах. Уменьшение объемов перевозки грузов по СМП и на трассах замерзающих морей России в последние годы ведет к потере накопленного за многие годы опыта, уменьшению экипажей, обладающих достаточным опытом проводки судов во льдах, что грозит увеличением числа аварий и повреждений корпусов.

Кроме человеческого фактора и обеспечения прочности конструкций большое значение имеет время эксплуатации судов. Требуется разумное ограничение срока эксплуатации судов в районах с тяжелыми условиями. Как показывает практика, иногда уже изношенные суда продолжают использовать ввиду их невысокой стоимости в надежде, что все обойдется. Такой подход чрезвычайно опасен, так как усталостный резерв прочности корпусных конструкций в значительной степени израсходован и попадание судна в исключительно тяжелые условия грозит ему гибелью. Недостаточная осведомленность капитанов о состоянии корпусов судов и о возможных последствиях рискованного поведения во время ураганов неоднократно служила причиной серьезных повреждений многих из них и даже гибели.

Сложные условия плавания судов на взволнованной поверхности моря и во льдах при их форсировании и в условиях сжатия не дают возможности точно установить внешние нагрузки. Анализируя условия эксплуатации судов и результаты экспериментальных модельных и натурных исследований для целей проектирования конструкций новых судов или восстановления поврежденных конструкций, приходится использовать приближенные значения внешних нагрузок. В результате даже суда новых конструктивных типов с новыми оригинальными конструкциями не гарантированы от повреждений при эксплуатации в наиболее тяжелых условиях.

Практика свидетельствует, что существующие рекомендации и положения до сих пор не позволяют избавиться от концентрации в отдельных узлах корпуса местных напряжений, способных во время сильных штормов вызвать опасные повреждения в результате усталости и хрупкого разрушения.

Задачей судостроителей в условиях интенсификации мирового транспортного процесса, ускорения оборачиваемости флота и уменьшения до минимума непроизводительных задержек во время плавания на волнении и во льдах является обеспечение надежности судна как инженерного сооружения в течение всего срока его эксплуатации в реальных условиях тех регионов, для которых оно строилось.

В последние годы осваиваются такие районы, в которых раньше суда никогда не появлялись:

  • Северная Атлантика;
  • Берингово и Карское моря;

на шельфе и побережье которых сейчас добывается большое количество полезных ископаемых.

В перспективе будет продолжено использование судов, недостаточно приспособленных для этих условий плавания. Негативные последствия этого приходится устранять в ходе модернизации и ремонта. В отдельных конструкциях корпусов американских танкеров, транспортирующих нефть с Аляски на юг, возникало много трещин усталостного характера, несмотря на их изготовление из сталей повышенной прочности, технологические ошибки приводили к возникновению больших местных напряжений. Значительные повреждения при плавании во льдах отмечались на танкерах типа «Самотлор» и арктических сухогрузных судах типа «СА-15», которые эксплуатируются в дальневосточных морях и в Восточной Арктике.

Будет интересно: Автоматизированная технологическая подготовка производства верфи

Интенсивная коррозия служит частой причиной серьезных повреждений танкеров и навалочников. Это бывает при небрежной эксплуатации корпусных конструкций, без учета особенностей перевозимого груза, ошибках при осмотре и дефектации конструкций. Таким образом, небрежная эксплуатация корпусов судов и недостаточный контроль за состоянием потенциально опасных конструкций могут привести даже к гибели судна. Как будет показано ниже, особую опасность для корпуса представляют повышенные местные напряжения при их высокой концентрации.

Анализ аварий нескольких тысяч судов свидетельствует о наличии корреляции между возрастом судов и числом допущенных при проектировании и постройке ошибок, которые проявляются в наибольшей степени на судах после 10—14 лет эксплуатации. После этого срока повреждения возникают в основном в результате усталости металла.

Конструктивные типы транспортных судов и особенности проектирования их корпусных конструкций. Требования к конструктивно-архитектурным формам

Существует много типов судов, выполняющих в мировом транспортном процессе различные функции по доставке грузов в разные географические зоны Мирового океана. При определении количества необходимых конструктивных типов судов или пополнении флота более современными в связи с научно-техническим прогрессом и изменениями в развитии мирового хозяйства необходимо ориентироваться на перспективные грузопотоки, определенные на основе долгосрочных планов развития отдельных стран и регионов с учетом расширения международных связей между ними.

Проектирование и постройка новых судов занимает много времени, поэтому очень важно правильно определить происходящие изменения в мировом хозяйстве, чтобы не допустить ошибок в прогнозах, что неоднократно наблюдалось на практике. У всех на памяти резкое уменьшение потребления нефти, которое привело к сокращению объемов строительства танкеров, часть которых пришлось даже досрочно выводить из эксплуатации и сдавать на слом.

Еще один пример: вследствие международного соглашения о прекращении китобойного промысла потребовалось вывести из эксплуатации китобойные базы и модернизировать их с целью приспособления к нуждам меняющегося мирового хозяйства.

Карта морских перевозок
Рис. 3 Объемы морских перевозок, млн. т (млрд, тонно-миль): а — нефть; б — железная руда; в — уголь

При проектировании судов перспективных типов следует учитывать возможности совершенствования судоходства и в связи с изменениями на других видах транспорта, вследствие строительства новых железнодорожных магистралей, мостов, каналов, шлюзов, углубления рек, регулирования стока судоходных рек, использования новых видов топлива и судовых устройств. Особую роль может сыграть организация технологических приемов доставки грузов, что уже отразилось на всем мировом транспортном процессе при переходе на использование международных стандартных контейнеров. В результате этого появились новые типы судов — контейнеровозы, совершенствование которых продолжается, например, в последние годы появились контейнеровозы с большим раскрытием палуб и открытыми вырезами (люками).

Политические изменения в мире также могут оказывать как временное, так и постоянное воздействие на появление новых судов.

Например, закрытие Суэцкого канала, приведшее к доставке жидкого горючего с Ближнего Востока в Европу вокруг Африки, вызвало строительство громадных супертанкеров, надобность в которых после открытия Суэцкого канала миновала.

Громадные суда дедвейтом свыше 200 тыс. т оказались нерентабельными, и еще до конца срока эксплуатации значительная их часть была списана, а массовая постройка таких судов прекращена (рис. 4).

График динамики роста строительства морских судов
Рис. 4 Изменение объемов строительства морских судов. 1 — всего; 2 — танкеры

Открытие, например, международного круглогодичного судоходства вдоль СМП потребует создания новых ледоколов и судов ледового плавания для доставки грузов через арктические моря с Запада на Восток и обратно.

С обнаружением колоссальных запасов углеводородного сырья на шельфе Сахалина, Баренцева и Карского морей возникла необходимость в совершенно ином подходе к проектированию судов, пригодных для работы в тяжелых дрейфующих льдах.

Немаловажное значение для оптимизации доставки грузов на судах имеют научные исследования в области тактики плавания в конкретных природных условиях. Так, для выработки тактики плавания во льдах предстоит до конца изучить систему «лед—корпус судна—человек» на основе физики льда, чтобы ответить на вопрос, какова допустимая степень риска при работе во льдах. При сверхосторожности капитана ледокола может не состояться проводка во льдах транспортных судов, при недостаточной — ледоколам не всегда удается спасти от гибели суда со слабыми корпусами, зажатые во льдах или получившие повреждения. Очень важно, чтобы конструкции судов, плавающих во льдах, имели достаточную прочность для эксплуатации в поврежденном состоянии. С этой целью широкое распространение получила конструкция двойных бортов. Неоднократно было установлено, что это надежный способ увеличения и живучести судна. Это подтверждается многочисленными авариями танкеров с двойными корпусами, а также сухогрузных судов усиленного ледового класса «СА-15» (см. рис. «Судно ледового плавания СА-15 с горизонтальной и вертикальной грузообработкой»Конструктивные типы транспортных судов и особенности проектирования их конструкций).

За счет устройства двойных бортов с набором оригинальной конструкции в виде раскосов (см. рис. «Объемная конструкция двойных бортов с распорками и листами с ребрами при потере устойчивости от превышения расчетных нагрузок»), опирающихся на бортовые стрингеры наружного и второго бортов, можно повысить их надежность.

Морской транспортМорской транспорт России продолжает интенсивно развиваться на основе достижений научно-технической революции (НТР), меняется его структура по мере развития мирового хозяйства, расширения международных связей, изменений условий разделения труда в международном масштабе и непрерывного роста производительных сил общества.

Несмотря на периодические кризисные явления объемы морских перевозок возрастают, хотя валовая вместимость мирового флота, например, с 1983 по 1990 г. несколько уменьшилась (рис. 5 и 6). Пути развития морского флота иногда резко менялись. В конце 50-х и до начала 70-х годов имел место быстрый рост размеров, грузоподъемности и скорости транспортных судов при одновременном изменении технологии постройки, доставки грузов и проведения грузовых операций. Доставка грузов становится единым процессом, согласованным между различными видами транспорта в отдельных взаимосвязанных регионах, часто находящихся на громадном расстоянии друг от друга. Так появились модальные перевозки.

Динамика увеличения объемов морских перевозок
Рис. 5 Объемы перевозок грузов морем. 1 — всего; 2 — сухие грузы; 3 — наливные грузы

Для определенных линий, связывающих совершенно определенные районы мира между собой, строятся специализированные суда для доставки определенного груза по наиболее выгодным морским путям. Для проведения грузовых операций используются и специально сооружаются хорошо оборудованные порты.

Периодически происходящие в мире кризисные явления в хозяйственной и политической жизни оказывают существенное влияние на развитие морского флота.

График изменения дедвейта
Рис. 6 Изменение дедвейта мирового флота. 1 — всего; 2 — сухие грузы; 3 — наливные грузы

Одно время наблюдалось резкое увеличение скоростей судов. Для этого требовались большие расходы жидкого топлива, цена которого то резко повышается, то уменьшается.

В последние годы вновь появились заказы на несколько судов гигантских размеров, но для конкретных линий:

  • рудовозов;
  • контейнеровозов;
  • танкеров;
  • круизных судов и паромов.

Скорость вновь строящихся транспортных судов находится на уровне 60-х годов. Наивысшая скорость у контейнеровозов и круизных судов достигает 25 уз, которые большую часть времени находятся на ходу и ограниченное время затрачивают в портах на грузовые операции.

Немаловажную роль при создании судов новых конструктивных типов играют требования международных соглашений, например, Конвенции по предотвращению загрязнения окружающей среды с судов (МАРПОЛ—73/78) и Международной конвенции по охране человеческой жизни в море (СОЛАС—74).

В правилах и нормах, издаваемых во всех морских державах мира, появились многочисленные рекомендации по ограничению загрязнения окружающей среды и улучшению условий обитаемости для членов экипажа и пассажиров.

Рекомендуется к прочтению: Перспективные лакокрасочные и конструкционные материалы для судов и кораблей

В последние годы появились новые предложения «Международного кодекса по управлению безопасностью эксплуатации судов и предотвращению загрязнения» (МКУБ), в соответствии с которым требуется проведение всеобщей сертификации как эксплуатируемых, так и проектируемых судов относительно безопасности их эксплуатации и защиты экологии. Это отразится на конструкции новых типов судов.

Форма корпуса транспортных судов

Необходимо обратить внимание на происходящие изменения в архитектурно-конструктивной форме транспортных судов.

Значительную роль при проектировании судов играют:

  • технологические;
  • экономические;
  • эксплуатационные факторы.

Привычные, слагавшиеся многие годы традиционные представления об обтекаемости корпусов надстроек и симметрии их обводов, килеватости, седловатости и погиби бимсов существенно меняются как потерявшие к настоящему времени всякий смысл.

После полного открытия СМП для плавания иностранных судов после окончания «холодной войны» заинтересованные страны, такие как Норвегия, Германия, Швеция, Финляндия и Япония, ставят своей целью выяснение перспектив развития СМП и изучение основ проектирования судов ледового плавания.

В 1970—1980 гг. иностранные специалисты провели большие исследования с целью постройки супертанкеров VLCC для доставки нефти и газа из районов северной части Аляски и Канады в Японию. Были изучены условия эксплуатации судов в этих районах, которые, однако, значительно отличаются от условий по СМП.

Особые условия плавания транспортных судов во льдах по трассе СМП требуют специфического подхода к форме их носовых и кормовых обводов, а относительно небольшие глубины ограничивают предельную осадку примерно до 9 м. Это позволит им заходить даже в устья Енисея и Оби и проходить через проливы Санникова и Лонга.

Наличие даже в периоды летних навигаций вдоль берегов Сибири и Дальнего Востока льдов делает маловероятным самостоятельное плавание судов без сопровождения ледоколов.

Транспортные судаСовременные транспортные суда, предназначенные для перевозки нефти, газа, леса, руды, контейнеров, автомобилей, различного оборудования, совершающие сквозные транзитные плавания, а также трамповые неспециализированные суда, обеспечивающие доставку снабжения в арктические порты, располагающиеся в устьях сибирских рек, под проводкой ледоколов должны иметь ширину около 24 м, осадку около 9,2 м и длину 180 м при водоизмещении 25 тыс. м3.

Соотношения размерений этих судов и их обводы будут отличаться от обычных морских судов, что потребовало внимательного изучения их мореходных качеств в открытых морях. Действительно, арктическим транспортным судам, как и ледоколам, приходится совершать многодневные плавания в бурных морях Берингова и Баренцева морей, прежде чем они дойдут до арктических льдов. В этих переходах суда при низких температурах воздуха и воды попадают в штормы, которые вызывают большие динамические нагрузки.

Ограничения осадки исключают использование глубоко погруженных винтов большого диаметра. Это требует особого подхода к выбору обводов кормы и замены рулевого управления хорошо зарекомендовавшим при работе во льдах устройством Азипод (см. рис. «Танкер двойного действия — Double Acting Tanker — DAT»Изменение технологии грузовых работ и перевозки грузов — определяющий фактор в развитии конструктивных типов судов).

Кроме того, транспортные суда ледового плавания должны иметь:

  • повышенные маневренность и управляемость во льдах (они значительно улучшаются при использовании вместо рулей установки Азипод);
  • высокие ледокольные качества, обеспечивающие достаточную скорость движения;
  • способность корпуса судна хорошо очищаться от пристающих к нему снега и льда во время движения;
  • хорошие мореходные качества при плавании по чистой воде на большом волнении (особенно важно обеспечить минимальные ударные нагрузки при качке).

Сухогрузные суда и танкеры новых типов должны обеспечивать снабжение промыслов на побережьях и вывоз добытого сырья. С полуострова Ямал (порты Харасавей и Новый Порт) уже несколько лет ежегодно газоконденсат загружается по трубопроводам на танкеры в течение всего года. Однако пока используются обычные морские суда, построенные без учета особенностей проведения грузовых операций во льдах у берегов материка.

Контейнеровоз для морей и океанов
Контейнеровоз для транспортировки разных грузов
Источник: Pixabay.com

Архитектурный вид судна в современных условиях должен облегчать размещение грузов в трюмах и на верхней палубе, управление грузовыми операциями, а также различными судовыми устройствами и системами, обеспечивать доступность конструкций для осмотра и ремонта при минимальной стоимости их изготовления.

В связи с рационализацией требований к судам в последние годы чаще можно встретить вместо сложных обтекаемых надстроек с каплевидно-ступенчатыми формами простые прямоугольные, многоярусные надстройки и рубки с удобным обзором поверхности моря с верхних открытых палуб. Вместо узкой обтекаемой крейсерской кормы почти все новые суда имеют довольно широкую кормовую палубу, заканчивающуюся транцем. Это дает возможность значительно уменьшить длину кормовой швартовной площадки (см. рис. «Транцевая корма и швартовная площадка транспортного судна»Конструктивные типы транспортных судов и особенности проектирования их конструкций) или использовать последнюю для размещения нескольких ярусов контейнеров.

Большинство судов уже не имеют привычных килеватости и седловатости, исчезло совершенно излишнее скругление перехода палубного стрингера в ширстрек. Все реже встречаются суда с удлиненным баком и все чаще носовые обводы имеют достаточную полноту, что вместе с бульбом улучшает мореходные качества на волнении и всхожесть на волну, уменьшает заливаемость верхней палубы.

Обычным стало асимметричное расположение дымовых труб, грузовых устройств, машинных шахт, вырезов в корме и в бортах при установке кормовой рампы (сходни). С целью упрощения изготовления колонки, мачты дымовые трубы имеют не круглые поперечные сечения, а квадратные или прямоугольные.

Архитектурный вид судна, как это было всегда, определяет вытянутая обтекаемая форма корпуса, обеспечивающая при движении в воде минимальное сопротивление и хорошие мореходные качества при движении на волнении. Форма и размеры надстроек и рубок также играют большую роль в обеспечении мореходных качеств, в создании дополнительных объемов для размещения груза и людей, в уменьшении заливаемости, увеличении запасов плавучести и в размещении устройств и систем.

При проектировании корпуса судна необходимо стремиться создать такое инженерное морское сооружение, которое было бы функциональным и имело привлекательный наружный общий вид и интерьер, соответствующий требованиям современной корабельной архитектуры.

Надо заметить, что проектирование внешнего вида судна и отдельных его частей, а также внутреннего устройства в деятельности инженеров-кораблестроителей пока еще занимает не особенно много места. Однако в отдельных странах в последние годы этим вопросам уделяется все больше внимания, особенно при проектировании круизных судов (рис. 7).

Пассажирские суда
Рис. 7 Общий вид пассажирских судов

В Финляндии к проектированию и постройке таких судов все чаще привлекают художников, которые работают не только над дизайном внутренних помещений, но и над внешним оформлением корпусов судов, их формой, согласуя с требованиями эксплуатации, обслуживания и ремонта.

Учитывая все вышесказанное, кораблестроитель должен обладать чувством нового при хорошем знании функционального назначения судна, а фантазия художника должна ограничиваться требованиями рациональности и практической целесообразности. Недопустимо позволять в погоне за «красивостью» проектировщикам создавать неудобные для обитания, обслуживания и осмотра сооружения и отдельные его составляющие, а также удорожания постройки судна за счет усложнения его конструкции.

В создании привлекательного внешнего вида большую роль играет наружная окраска корпуса и его надпалубных устройств, внутренних помещений, их освещенность. Простыми, но эффективными средствами необходимо создавать контраст цветов, радующий взгляд. Окраска судов должна гармонировать с портовыми сооружениями и прибрежными кварталами портов. В военных условиях окраска несет в себе элементы практической целесообразности, камуфляжа.

Суда стандартных проектов

«Стандартным судном» называют суда, построенные по типовым перспективным проектам, которые разрабатываются еще до получения заказа-контракта на их постройку. Существуют специальные проектные организации, располагающие многовариантными разработками разного типа судов с учетом их перспективного использования в новых возможных условиях. По каждому типу судов разрабатывается несколько вариантов с учетом текущих требований рынка и возможных изменений в будущем. При этом для судов различных конструктивных типов разрабатываются стандартные оконечности различных размеров.

Предусматривается изменение длины судна за счет вставки между стандартными оконечностями средней части судна (цилиндрической вставки) по требованию заказчика. В настоящее время термин «стандартное судно» относится и к судам, которые строятся большими сериями и находят многочисленных заказчиков в разных странах. Они отвечают требованиям существующей транспортной системы, но в перспективе может потребоваться их модернизация, в том числе и по размерам, за счет вставки заранее подготовленных секций по длине, ширине или высоте.

Суда первого типа более дорогие, однако во время эксплуатации могут дать больший эффект, чем суда второго типа.

В начальный период Второй мировой войны США строили многочисленные стандартные сухогрузные сварные суда типов «Либерти» и «Виктори» и танкеры типа Т-2. Все они не были наиболее рациональными и экономичными, однако при их постройке использовали существовавшие в стране возможности для быстрого пополнения транспортного флота. Вместо дизелей на «Либерти», построенном по устаревшему английскому проекту «Норс санд», установили маломощные паровые машины. В условиях войны не было времени на новое проектирование, а промышленность США не могла быстро организовать массовое производство мощных судовых дизелей. В результате появились тихоходные «Либерти», не отвечавшие требованиям времени. Дизелями удалось обеспечить лишь менее многочисленные, но более быстроходные суда типа «Виктори».

Предлагается к прочтению: Конструктивные и архитектурные типы морских деревянных судов

Что касается танкеров, то на судах типа «Т-2» были установлены дорогие дизель-электрические главные механизмы. Однако громадным достижением стало использование сварных соединений вместо клепаных, ускорившее постройку нужных фронту судов и сэкономившее металл.

В конце 60-х и начале 70-х годов необходимость замены устаревших судов военных лет постройки привела к разработке проектов стандартных сухогрузных судов типа «Фридом» в Японии (построено 137 судов), типа СД-14 в Англии (построено 158 судов), а также в ряде других стран (было построено незначительное количество судов).

Значительная часть трампов («бродяг») в настоящее время строится по стандартным проектам, совершенствующимся за счет комплектующего оборудования и приспособления к многоцелевому использованию или к некоторой специализации по просьбам заказчиков по мере изменения конъюнктуры рынка и способов доставки грузов.

Появилась тенденция создания многоцелевых транспортных судов с большим раскрытием палуб и с длинными трюмами для перевозки длинномерных грузов или навалочных грузов и контейнеров. Перенос машинного отделения в корму способствовал увеличению объемов кормовых трюмов, освобождению части палубы от громоздких надстроек и устройству многоярусных надстроек.

При проектировании многоцелевых сухогрузных судовКлассификация, характеристики и размеры сухогрузов особое внимание уделялось осадке, позволяющей заходить в основные порты мира, и ширине для размещения большего числа контейнеров. Благодаря появлению сходней (аппарелей) на многоцелевых судах стала возможной как вертикальная, так и горизонтальная погрузка колесной техники и контейнеров.

Периодически проводится изучение спроса с целью выяснения рынка сбыта разных типов экономичных многоцелевых судов, которые, как правило, приспособлены для перевозки контейнеров международного размера и колесной техники.

Моторное плавательное средство
Моторная шлюпка для обучения на легком волнении
Источник: Pixabay.com

Разработаны проекты многоцелевых судов, общее расположение и конструкция корпуса которых позволяют легко переоборудовать по просьбе заказчика и менять грузовые устройства в зависимости от посещаемых судном портов или линий плавания.

Исследования показывают, что в некоторых регионах существует потребность в небольших экономичных многоцелевых судах различного назначения. В Японии разрабатываются проекты стандартных судов серийной постройки для отдельных верфей, принадлежащих конкретной фирме.

Благодаря оптимизации конструкций суда могут перевозить:

  • металлолом;
  • руду;
  • уголь;
  • длинномеры и тяжеловесы и т.п.

С середины 80-х годов многие зарубежные фирмы по судостроению занимаются разработкой научно-исследовательских программ, направленных на создание судов будущего:

  • «Судно 2000 года» (Норвегия);
  • «Проект разумного судна» (Япония);
  • «Проект эффективного судна» (Англия);
  • «Суда будущего» (ФРГ);

цель которых — создание более эффективных и экономичных судов, надежных в эксплуатации, с двигателями, потребляющими минимум горючего, экономически безопасных и экологически чистых.

С каждым годом стоимость постройки судов, в том числе и стандартных, увеличивается вследствие их насыщения современным оборудованием. Уменьшение стоимости судов возможно за счет унификации и стандартизации постройки многоцелевых судов, которые легко могут быть переделаны в специализированные в соответствии с требованиями.

В современных условиях доля перевозок морскими судами составляет 70%, а внешнеторговых грузов около 90%.

Состояние конъюнктуры рынка судов определяется: спросом на суда разных конструктивных типов; объемом производства судов; ценой на суда; количеством списания устаревших физически и морально судов разных типов, находящихся в эксплуатации.

При анализе состояния рынка основное внимание уделяется вопросу спроса на суда различного назначения на перспективу, так как всегда постройке новых судов предшествует контракт (заказ) с судовладельцами и для появления судов, готовых к работе, требуется достаточно много времени на проектирование и постройку. Установлено, что период эксплуатации:

  • для навалочников составляет 18 лет;
  • танкеров — 21 год;
  • универсальных сухогрузных судов — 25 лет.

Наличие в составе мирового флота неэксплуатируемых судов позволяет при необходимости быстро пополнить флот.

После экономических кризисов 70-х и 80-х годов произошло резкое сокращение спроса на суда и значительное сокращение судостроения. В середине 90-х годов наблюдалось незначительное (на 6—10%) снижение цен на новые суда некоторых типов. Однако в каждом отдельном случае реальная цена заказа зависит от целого ряда причин и прежде всего от условий оплаты стоимости постройки и размеров поддержки правительством страны верфи-строителя.

В ходе судостроительного бума в 1970 г. появились излишки тоннажа на рынке судов. Этот бум был вызван неоправданной политикой международных банков кредитования строительства новых судов.

Максимальная цена заказа на новые суда бывает при льготных условиях, заключающихся в минимальном первоначальном взносе и выгодных условиях кредитования, и наоборот.

На рис. 8 приведены данные по изменению объемов перевозки разных грузов морем, которые показывают некоторое их падение в начале 80-х годов (особенно наливных) и затем дальнейший рост. Предполагают, что он будет продолжаться и в будущем.

Изменение объемов перевозки грузов морем
Рис. 8 Объемы морских перевозок грузов. 1 — всего; 2 — наливные грузы

Флот танкеров в начале 1993 г. насчитывал более чем 6 тыс. судов дедвейтом 286 млн т. Если в 1979 г. объемы перевозок сырой нефти и нефтепродуктов составили почти 1 млрд. т, то затем они резко сократились, однако к 1989 г. снова увеличились до 1,5 млрд. т. Прогнозировалось, что к 2000 г. он достигнет 1,7 млрд. т (см. рис. 2).

Читайте также: Расшифровка сокращений названий элементов корпусных конструкций для чтения чертежей

В связи с развитием нефтеперерабатывающих предприятий в странах, добывающих нефть, объемы перевозки сырой нефти к 1990 г. уменьшились до 78%, стало целесообразно строить танкеры меньшего размера — 2—10 тыс. т. Спрос на такие танкеры сохраняется и в настоящее время.

Рынок танкеров в 90-е годы характеризовался избытком тоннажа, достигшего к 1993 г. 43,9 млн. т дедвейта. Правда, с 80-х годов он сократился в 1,5—2 раза за счет уменьшения постройки новых судов, а также за счет разделки устаревших резервных судов на металлолом.

Большое количество танкеров, способных проходить в полном грузу Суэцким каналом, т. е. дедвейтом 140—160 тыс. т (суэцмакс), строятся ежегодно в целях обеспечения доставки сырой нефти из стран Ближнего Востока в Европу. Они заменили более крупные танкеры, доставлявшие горючее вокруг Африки (бум их строительства пришелся на конец 60-х годов — время закрытия Суэцкого канала). В настоящее время сверхкрупные танкеры (супертанкеры) строят только для конкретных линий, где они будут экономичными. Дедвейт таких танкеров — 200—300 тыс. т и более.

В настоящее время считается, что в связи с предлагаемым ростом объемов перевозки нефтепродуктов заметно возрастет спрос на танкеры. Причиной этому является предполагаемое списание большого числа наливных судов, которые без учета потребности в них в перспективе были построены в 70-х годах. Одной из основных причин судостроительного бума в эти годы была активная политика международных банков по кредитованию постройки судов.

Проблемы прочности корпусных конструкций

Надежная эксплуатация судов в самых сложных условиях плавания в море при наблюдающейся интенсификации транспортного процесса требует особого подхода к проектированию судового корпуса с целью обеспечения его надежности и долговечности. Требования к транспортным судам, работающим на определенных линиях, по расписанию, заставляют судоводителей сохранять даже при сильном волнении достаточно высокую скорость. Это ведет к повышенным динамическим нагрузкам во время большого волнения и требует высокой квалификации и опыта прежде всего от капитанов судов. Этот опыт накапливается только со временем.

После окончания Великой Отечественной войны были разработаны «Требования к выполнению расчетов прочности конструкций корпуса надводных кораблей», в соответствии с которыми они подразделялись на следующие этапы:

  • определение величины и характера волнения, усилий, действующих на корпусные конструкции;
  • назначение запасов прочности конструкций;
  • определение наибольших усилий и максимальных напряжений, действующих в конструкциях корпуса в наихудших возможных условиях плавания, с учетом запасов прочности;
  • назначение норм для опасных напряжений и проверка условий прочности.

Каждый из перечисленных этапов подвергался детальному изучению, при этом основывались на новых исследованиях, натурных и лабораторных экспериментах и изучении опыта эксплуатации кораблей и судов в различных условиях. Одновременно продолжалось изучение и усовершенствование трех проблем строительной механики корабля и конструкции корпуса.

Проблема внешних сил. В расчетах прочности конструкций корпуса судна исходили из предположения, что профиль волны имеет форму трохоиды (рис. 9).

Профиль волны
Рис. 9 Профиль регулярной волны. 1 — подошва волны; 2 — гребень волны; l — длина; h — высота; h/2 = r — амплитуда

Длина волны для расчета при общем изгибе корпуса принималась равной длине судна, которое располагается на волне в статическом состоянии на ее вершине или на подошве так, чтобы мидель судна совпадал с экстремальными точками вершины или подошвы волны. Позже были введены изменения с учетом статистики природы волнения и динамических нагрузок, возникающих во время движения на волновой поверхности.

Проблема внутренних сил. Корпус корабля представляется в виде пустотелой балки, состоящей из листов обшивки, подкрепленных балками набора. Напряжения в элементах такой балки определяются на основе учения об изгибе и устойчивости балок и листов обшивки. В результате такого представления были разработаны различные системы набора корпусных перекрытий, состоящих из балок, подкрепляющих наружную обшивку корпуса судна.

Схемы, используемые при расчетах, построены на балочной и плоской задачах теории упругости и сопротивлении материалов. При этом общая и местная прочности определяются независимо друг от друга.

Проблема нормирования. Нормирование прочности судовых конструкций основывается на теории разрушения, которая за последнее время подверглась серьезным дополнениям и исправлениям, касающимся прежде всего оценки процесса разрушений от общего продольного изгиба при действии динамических нагрузок и местных напряжений при их концентрации в различных узлах корпуса судна. Однако остается еще много неясных вопросов, связанных с влиянием неравномерного износа набора и обшивки, а также причин, вызывающих внезапные повреждения во время жестоких штормов, часто ведущих к гибели судов.

Обеспечение равнопрочности корпусных конструкций — один из основных принципов рационального конструирования корпуса судна. Однако достичь этого довольно затруднительно, и считается, что корпус судна спроектирован наилучшим образом, если все его элементы обладают близкими запасами прочности на запланированный срок их эксплуатации до замены в ремонте или до конца службы судна. Добиться этого при проектировании очень сложно, а иногда и невозможно, поскольку судно может попадать в разных районах Мирового океана в разные условия.

Так, на судне, спроектированном для определенного района, при плавании в других условиях эксплуатации в новом районе возникают агрессивность перевозимого груза, коррозия и износ.

Например, на танкерах ледового плавания Приморского морского пароходства, работающих в тропиках, возникают коррозия и износ, отмечающиеся при работе во льдах, где они неизбежно получают еще повреждения как при движении за ледоколом, так и при самостоятельном плавании.

Более значительные коррозионные повреждения возникают в тропиках; в Арктике они меньше, но здесь часто и по-разному изнашиваются конструкции в тех или иных районах корпуса. Этот износ особенно большой отмечается на мелководье в Восточной Арктике, когда суда через лед, уходящий под корпус, садятся на грунт. При проводке судов во льдах ледоколами винты последних отбрасывают льдины под корпус ведомого судна, вызывая этим повышенный износ днища.

Рекомендуется к прочтению: Конструкция корпуса морских деревянных судов

Очевидно, что создание равнопрочных корпусных конструкций дело очень трудное. Кроме того, необходимо обеспечивать экологическую безопасность судов, особенно наливных, во время эксплуатации следить за возникновением трещин в местах повышенной концентрации напряжений и предотвращать их распространение, своевременно восстанавливать окраску и очистку поверхности конструкций.

Судно во время плавания в соответствии с законом Архимеда находится под действием взаимно уравновешивающихся сил — собственной массы и противодавления воды — силы поддержания:

D=γV,

где:

  • D — масса плавающего судна;
  • t, γ — масса 1 м³ воды, т;
  • V — объем подводной части, м³;
  • γV — силы поддержания, т.

Уравновешивание названных сил является условием плавания судна как на тихой воде, так и на волнении. Во время плавания судна на тихой воде силы поддержания и масса судна длительное время остаются постоянными величинами. Распределение по длине судна сил поддержания на взволнованной поверхности моря в условиях распространения колебательных движений воды и периодического возмущения его в виде волн все время изменяется.

На больших волнах возможны два опасных случая для судна (рис. 10):

  1. В первом, когда судно находится на гребне волны, волна подпирает его в середине, нос и корма находятся как бы на весу.
  2. Во втором середина судна повисает над подошвой волны, нос и корма опираются на гребни волны.

В зависимости от этих положений судна и происходит изменение распределений сил поддержания по его длине, сопровождающееся разным изгибом корпуса.

Изгиб и прогиб корпуса судна
Рис. 10 Общий продольный изгиб корпуса на волнении

Все эти рассуждения относятся к случаю регулярного волнения, когда волны имеют гладкую поверхность (мертвая зыбь). При нерегулярном волнении поведение судна на нем представляет сложную картину. В зависимости от расположения волн относительно корпуса судна происходят периодические изменения распределения сил поддержания по его длине, сопровождаемые изгибом корпуса и качкой. При движении судна под углом к бегу волн продольный изгиб сопровождается кручением корпуса и изменением давлений на бортовые перекрытия.

Разрушение корпуса судна, ведущее к его гибели, обычно имеет место при его общем продольном изгибе. Если разрушение отдельных конструкций происходит под действием внешних нагрузок, то судно обычно получает местные, ограниченные по объему повреждения, вызывающие нарушение местной прочности судна.

Вопросы прочности судов всесторонне рассматриваются в последующих параграфах.

Внешние нагрузки, действующие на корпус судна

Наибольшие нагрузки на корпус судна возникают на волнении во время жестоких штормов. Волны образуются на поверхности воды главным образом в результате движения воздушных масс — ветра, которые, нарушая равновесие поверхности воды, создают волновые колебания. Однако громадные волны могут возникать также в результате подводных землетрясений и извержений.

Общий изгиб корпуса зависит от загрузки судна. Неправильное размещение грузов по длине может вызвать перелом корпуса и повреждения отдельных конструкций. При размещении грузов внутри данного судна необходимо ориентироваться на заранее составленные типовые планы загрузки, и каждая загрузка должна сопровождаться составлением отчетного плана (каргоплана) размещения грузов судовладельцами. При плавании судов в море необходимо следить за рациональным расходом запасов топлива и воды из отдельных помещений (отсеков, танков) во избежание возникновения опасных напряжений в корпусе.

Всемерное уменьшение напряжений в корпусе судна от общего продольного изгиба на тихой воде дает возможность уменьшить суммарные напряжения от изгиба на волнении. Этому помогает заблаговременная разработка типовых планов загрузки, что целесообразно иметь до начала эксплуатации судна.

Отдельные корпусные конструкции часто испытывают:

  • сильные удары волн;
  • ледовые нагрузки при форсировании ледовых образований;
  • нагрузки от обмерзания;
  • вибрацию после ударов волн и от оголения винтов при работе механизмов.

В некоторых случаях при буксировке на большом волнении и постановке в док аварийных судов в них также возникают опасные нагрузки.

Во время резкого изменения температур суда могут испытывать напряжения, соизмеримые с наибольшими напряжениями от общего продольного изгиба. Это имеет место, например, на газовозах, перевозящих сжиженный газ. На них конструкции охлаждаются до -200 °С, а на агломератовозах, перевозящих горячий агломерат по Азовскому морю, конструкции, наоборот, разогреваются до нескольких сот градусов. Кроме того, температурные напряжения при газовой резке и электросварке часто вызывают в корпусе реактивные напряжения, трещины и остаточные деформации, если нарушаются оптимальные технологические процессы.

Для того чтобы составить представление об изменении внешних нагрузок при взаимодействии корпуса судна с волнами и появлении дополнительных нагрузок, целесообразно рассмотреть принципы волнообразования и характеристики хаотического морского волнения.

Правильные по форме гладкие волны (см. рис. 9), называемые мертвой зыбью, наблюдаются в безветренных районах океана, куда они приходят из отдаленных районов, где наблюдаются жестокие штормы. Такие волны встречаются сравнительно редко. Изменения скорости и направления ветра являются причинами появления волнения, распространяющегося по разным направлениям. При этом образуются отдельные волны сложной формы и разной высоты. Только сильный ветер, продолжительное время дующий в одном направлении, создает волны одного направления, но вершины волн, разрушаясь, даже в этом случае создают их хаотическое нагромождение на волнах господствующего направления. Обычно на последних образуются волны меньшего размера. Особенно сложный характер волнения наблюдается в случае многократного изменения ветра. Появляется сложное трехмерное волнение в виде отдельных холмов и глубоких впадин.

При расчете прочности корпусов судов рассматриваются волны с некоторыми осредненными характеристиками, которые приводятся ниже.

Участки профиля двухмерных регулярных волн имеют свои названия:

  • гребень волны — часть волны над поверхностью спокойной воды;
  • вершина волны — верхняя часть гребня волны;
  • впадина волны — нижняя часть волны ниже поверхности спокойной воды;
  • подошва волны — наиболее углубленная часть впадины волны;
  • линия гребня волны — горизонтальная линия вдоль вершины гребня;
  • склон волны — поверхность гребня волны от вершины до подошвы.

Геометрические элементы регулярных волн:

  • длина волны λ — расстояние по горизонтали в направлении движения волн между соседними гребнями волн;
  • высота волны h — расстояние по вертикали от подошвы до вершины волны;
  • крутизна волны h/λ;
  • период волны τ — время прохождения профилем волны пути, равного длине волны;
  • скорость волны с — перемещение профиля волны за единицу времени.

Нагрузки на корпус судна при плавании на взволнованной поверхности до последнего времени определялись на основе теории регулярных волн малой высоты по сравнению с их длиной. Профиль таких волн имеет синусоидальную форму и может быть представлен формулой:

h(t)=acosϖt,

где:

  • h(t) — ордината волнового профиля;
  • α — амплитуда волны;
  • ϖ‎ = 2πt, ϖ — частота волны, 1/с;
  • t — время, с.

Крутизна морской волны h/λ в открытом море обычно колеблется в пределах 1/30—1/50; в прибрежных районах и закрытых морях она составляет около 1/20, а на отмелях может увеличиваться до 1/10-1/7.

Морское нерегулярное волнение образуется как результат наложения регулярных волн различной высоты, длины, направления и скорости. Скорость распространения длинных регулярных волн, образованных как регулярные системы, создает хаотическое перемещение волн и в результате нерегулярную поверхность. На этой поверхности волн наблюдаются беспорядочно расположенные отдельные пики и впадины, которые то появляются, то исчезают в одних и тех же местах. Такое состояние поверхности может быть описано только путем использования методов статистики. Как регулярное, так и нерегулярное волнение оценивается в зависимости от максимальной высоты отдельных волн от 3 до 9 баллов. При этом высоты волн устанавливаются методами статистики.

Условия плавания на взволнованном море определяются прежде всего высотой волны и средним периодом волнения. При этом судно испытывает смешанную качку (продольную и поперечную), которая зависит как от самого волнения, так и от конструктивных особенностей судна и его загрузки.

Будет интересно: Изготовление и монтаж изоляции корпусных конструкций судна

Внешние нагрузки, действующие на корпус при качке, все время изменяются и вызывают в его конструкциях меняющиеся напряжения, часть которых вызывается ударами волн о корпус.

Напряжения в конструкциях, так же как и вызывающие их нагрузки, классифицируют по характеру их изменения с течением времени и по характеру их действия. Существует также классификация напряжений по характеру их распределения:

  • общие напряжения, действующие в больших объемах материала и на большой площади конструкций;
  • местные напряжения, появляющиеся в ограниченных объемах материала или на малой площади конструкций.

Корпус плавающего судна изгибается в своей продольной вертикальной плоскости как целая пустотелая балка под действием массы судна и сил поддержания (давление воды). В результате в поперечных сечениях корпуса-балки возникают перерезывающие силы и изгибающие моменты, отчего возникают напряжения от общего изгиба. Местный же изгиб, являющийся следствием воздействия местных нагрузок, вызывающих местные напряжения, происходит одновременно с общим изгибом и часто под действием тех же внешних нагрузок.

В 70-е годы XIX в. по методике Эйлера были разработаны упрощенные способы определения напряжения в корпусе судна как в балке, свободно плавающей на регулярном волнении. До последнего времени, особенно при изучении вопросов поведения судна на волнении, использовался условный метод статической постановки на волну длиной λ, равной длине судна L, и высотой h около 1/20 длины судна. Этот прием многие годы использовался и в инженерной практике.

При этом гидротехнические силы и силы инерции, возникающие при движении на взволнованной поверхности, не учитывались. Такой метод расчета позволял оценивать и нормировать прочность вновь проектируемых судов только при использовании предыдущего опыта постройки и эксплуатации судов. Выполнялось сопоставление с использованными ранее решениями и на основании этого устанавливались допускаемые напряжения и запасы прочности.

В настоящее время для нормирования прочности опыт эксплуатации и постройки используется в меньшей степени, и все больше прибегают к расчетным методам проектирования как отдельных конструкций, так и всего корпуса. Расчетными методами пользуются и при составлении Правил проектирования конструкций современных судов.

Средняя волна
Волна средней высоты в океане
Источник: Pixabay.com

В условиях одновременного общего продольного изгиба всего корпуса и местного изгиба отдельных его конструкций, образованных пластинами и балками, полная величина напряжений получается как сумма напряжений от общего и местного изгибов. Однако последнее время имеется возможность, используя метод конечных элементов (МКЭ), сразу определять напряжения в корпусе как от общего, так и от местного изгибов.

Для изучения работы корпуса-балки при общем изгибе каждое ее поперечное сечение представляют в виде многотавровой балки, стенками которой являются борта и продольные переборки (если они есть), а полками — палубы, днище и второе дно (см. рис. «Поперечное сечение продольных связей, обеспечивающих общую продольную прочность корпуса»Напряжения в корпусе судна при его общем продольном изгибе). Такая балка, изгибаясь под действием массы всего судна и давления воды, одновременно испытывает действие общих и местных нагрузок.

Разделение нагрузок на общие и местные делается только для упрощения расчетов, в действительности же существует единое напряженное состояние всего корпуса. Использование современных методов позволяет сразу определять полные (суммарные) напряжения, не разделяя их на общие и местные, и не производя последующего суммирования. Однако для сохранения физического смысла и упрощения представления о работе корпуса в более доходчивой форме при изучении вопросов прочности конструкций судов разделение на общий и местный изгиб целесообразно.

При разделении расчетов прочности корпуса судна на общий и местный изгиб с использованием метода наложения для определения полных напряжений к местному изгибу относят изгиб отдельных перекрытий корпуса, изгиб балок набора с частью листов обшивки, к которой привариваются балки, и изгиб пластин, заключенных между соседними балками, ограничивающими эти отдельные пластины.

Принципы нормирования прочности судовых корпусов

Общие положения

Применительно к задаче нормирования прочности судовых корпусов необходимо:

  • во-первых, принимать во внимание все взаимосвязанные факторы, участвующие в формировании норм;
  • во-вторых, учитывать изменение нормируемых параметров во времени;
  • в-третьих, сами нормы рассматривать как совокупность противоречивых требований, в результате количественных изменений которых достигается состояние достаточной прочности;
  • в-четвертых, справедливость рекомендаций норм подтверждать практикой постройки и эксплуатации корпусов судов.

Нормы прочности являются результатом взаимоувязки противоречивых элементов, отражающих технические и экономические аспекты:

  • действующие на конструкцию внешние силы;
  • характеристики прочности конструкции;
  • затраты на их создание и эксплуатацию.

Звеньями, связывающими эти элементы, являются методики расчета, позволяющие получить количественные измерители норм прочности.

Техническое содержание норм базируется на физических признаках наступления опасных состояний корпуса и его конструкций — критериях прочности. За опасное состояние принимается либо нарушение формы, либо нарушение целостности корпуса. Наступление опасного состояния может характеризоваться величиной расчетных напряжений. Напряжения, при которых возможно наступление опасных состояний, называют опасными.

Чтобы вызвать остаточные деформации, опасные напряжения должны возникать в значительном объеме материала, и, следовательно, возникновение опасного состояния нарушения формы должно определяться значениями номинальных напряжений, действующих в рассматриваемой связи или группе связей. Под номинальными напряжениями понимают средние по сечению связи значения напряжений, вычисленные в соответствии с общепринятыми инженерными гипотезами без учета реального распределения, связанного с возможной местной концентрацией.

Нагрузки

Практически все нагрузки, действующие на корпус судна, являются случайными и изменяются во времени. Поэтому для их характеристики необходимо использовать представления из теории случайных процессов.

Расчетная величина нагрузок в указанных случаях может оцениваться обеспеченностью (вероятностью превышения расчетной величины). Группа экстремальных нагрузок (действующих однократно или малое число раз) отвечает обеспеченности 10-8, группа эксплуатационных нагрузок (действующих многократно) — обеспеченности 10-5. Внутри каждой группы нагрузки подразделяются по трем основным признакам: изменение во времени, продолжительность действия и характер воздействия на конструкцию. Изменение нагрузки во времени предопределяет возможность реализации того или иного критерия прочности, продолжительность действия — величину необходимого запаса прочности, характер воздействия на конструкцию — методику расчета.

По изменению во времени все нагрузки можно разделить на две основные группы:

  1. постоянные — нагрузки, величина и направление действия которых не меняются или мало меняются во времени;
  2. переменные — нагрузки, величина и направление действия которых изменяются во времени.

Используя представления о регулярных процессах, за количественный измеритель признака удобно принять средний период условного цикла изменения нагрузки

τ

. Значения

τ

, измеряемые долями секунды или секундами, характеризуют нагрузки, относящиеся к группе переменных (волновые давления, силы инерции при качке, силы от работы механизмов и винта, вибрационные нагрузки и т. п.).

Периоды, измеряемые часами, сутками, характеризуют квазипостоянные нагрузки, или так называемые нагрузки на тихой воде (масса груза, гидростатическое давление, термальные нагрузки и т. п.). Наконец, период, стремящийся к бесконечности, характеризует постоянные нагрузки (с определенной степенью условности к этой группе можно отнести только собственный вес конструкций).

Постоянные нагрузки достаточно оценивать величиной и направлением действия. Переменные нагрузки требуют дополнительной характеристики: установления закона изменения во времени, в состав которого кроме среднего периода входит форма условного цикла.

Принадлежность нагрузки к одной из качественно отличных групп по признаку изменения во времени предопределяет расчетный критерий прочности.

Неизменные, или квазинеизменные (почти не меняющиеся), нагрузки применительно к судовому корпусу, выполненному из достаточно пластичного материала, ведут к одному из критериев нарушения формы. Переменные нагрузки требуют обязательного учета возможности появления опасного состояния нарушения целостности в виде трещин усталости.

Признак изменения нагрузки во времени следует рассматривать как главный, но не исчерпывающий источник данных для решения задачи о выборе расчетного критерия прочности. Используя математическую терминологию, можно считать учет этого признака необходимым, но совершенно недостаточным для полного решения такой задачи. В каждом конкретном случае нужен специальный анализ, учитывающий все принципиальные особенности нагрузки, конструкции и свойств материала.

По продолжительности действия нагрузки можно разделить на две основные группы:

  1. кратковременные, действующие ограниченное время или малое число раз;
  2. длительные, действующие многократно или в промежутке времени, соизмеримом, по крайней мере, с временем одного рейса.

Продолжительность действия нагрузки прежде всего влияет на величину запаса прочности.

Кратковременная нагрузка (испытательная, аварийная, при спуске со стапеля и т. п.) при прочих равных условиях требует меньших запасов прочности по сравнению с длительной нагрузкой (масса конструкции и груза, давление забортной воды, волновой напор, силы от работы механизмов и винта, инерционные силы при качке и т. п.), так как число и значимость опасных последствий или вероятность превышения расчетной величины нагрузки в первом случае оказываются значительно меньше.

Предлагается к прочтению: Технология изготовления узлов, секций и блоков секций корпуса

Применительно к переменной нагрузке признак времени действия оказывается зависящим и от ее величины. Кратковременной в этом смысле следует считать нагрузку, величина которой будет превышена один или малое число раз за весь срок службы конструкции (экстремальная нагрузка), длительной — нагрузку, величина которой будет превышена большое число раз, например десять или сто тысяч раз (эксплуатационная нагрузка).

Воздействие нагрузки на конструкцию может быть статическим или динамическим. Этот признак не следует отождествлять с признаком самой нагрузки. Если рассматривать собственно нагрузки, то к статическим можно отнести все неизменные или квазинеизменные нагрузки, а к динамическим— все переменные во времени нагрузки.

Работоспособность конструкций можно характеризовать тремя признаками:

  • вид (тип) конструкции;
  • материал;
  • качество.

Тип (вид) конструкции определяет геометрические особенности сооружения, наличие в нем прерывистых связей, объемности напряженного состояния, концентраторов напряжений и т. п. Материал характеризует энергоемкость элементов конструкции, их способность сопротивляться упругому и пластическому деформированию в различных условиях работы и нагружения. Качество включает комплекс характеристик, определяющих степень соответствия чертежам, технологию изготовления и надежность контроля за готовой продукцией.

Судокорпусные конструкции целесообразно разделить на две группы:

  1. простейшие элементы (пластины, балки и узлы их соединений);
  2. комплексные конструкции (перекрытия, корпус в целом), содержащие большое число элементов и узлов.

Требования к снижению концентрации напряжений к этим группам конструкций предъявляются противоречивые, с одной стороны, и единое требование снижения стоимости изготовления реальных комплексных конструкций, с другой. Противоречие должно разрешаться в правилах конструирования путем отбора типовых конструкций, удовлетворяющих условию минимума затрат на их постройку и эксплуатацию.

Основным судокорпусным материалом в транспортном судостроении в настоящее время является и на ближайшую перспективу остается сталь. Поэтому в дальнейшем ограничимся рассмотрением только ее характеристик. Важнейшими свойствами стали, учитываемыми при нормировании прочности, являются упругость и пластичность, которые в значительной степени предопределяют выбор расчетного критерия прочности.

Упругость определяет способность стали восстанавливать первоначальные размеры сечений и форму элементов конструкций после прекращения действия сил, вызвавших их деформирование.

Пластичность характеризует способность стали сохранять остаточные деформации после прекращения действия вызвавших их сил.

Упругие свойства стали сохраняются практически до тех пор, пока вызванные внешними нагрузками напряжения не превзойдут предела упругости или близкого к нему по величине предела текучести стали.

Пластические свойства, которые характеризуются показателями удлинения, поперечного сужения и временного сопротивления, определяют способность стали деформироваться, хорошо обрабатываться, сглаживать эффекты концентрации напряжений в районах прерывистых связей, дефектов материала, сварных соединений, конструкций, сопротивляться возникновению хрупких разрушений.

Лодка на волнении
Небольшая лодка в легкий шторм
Источник: Pixabay.com

Между упругостью и пластичностью существует противоречие. Оно может рассматриваться также как противоречие между величинами предела текучести и комплексного показателя пластичности. Однако рассматриваемое противоречие не является антагонистическим и реально разрешается при приемлемых для целей практики значениях обеих характеристик судокорпусных сталей.

Качество конструкции относится к наиболее трудно изменяемым характеристикам. Повышение показателей, определяющих качество, часто требует освоения новых технологий, оснащения заводов новым оборудованием, обучения и воспитания кадров и т. п.

Противоречивые стремления к повышению надежности и упрощению технологии при ограниченном объеме контроля приводят к разделению конструкций по признаку «качество» на группы.

К первой группе можно отнести такие конструкции, качество которых по всем показателям удовлетворяет требованиям действующей нормативной документации:

  • правилам конструирования;
  • установленному технологическому процессу;
  • объему и методам контроля и т. п.

Причем имеется в виду, что указанные документы должны формироваться на базе тех же принципов, что и сами нормы прочности. Качество этой группы конструкций условно можно именовать удовлетворительным.

Ко второй группе относят конструкции, качество которых можно условно считать неудовлетворительным, поскольку они включают бракованные изделия или изделия, которые не могут быть допущены к эксплуатации.

В промежуточную группу между указанными выше попадают конструкции, качество которых отвечает упомянутой выше нормативной документации только с рядом оговорок, не приводящих, однако, к полной отбраковке конструкций. Эту группу условно можно именовать ограниченной по качеству.

Качество — один из основных критериев, учитываемых при решении вопросов, связанных с назначением запасов прочности в случае опасных состояний, угрожающих нарушению целостности конструкций.

Методика расчета

В силу своего функционального назначения методика расчета должна изменяться в зависимости и в соответствии с особенностями связываемых ею элементов норм прочности. Поэтому на ее содержание могут оказывать влияние все элементы норм. Это влияние может выражаться в виде требований к применению специализированных расчетных приемов (статический расчет или расчет вибрации в случае признака реакции конструкции на нагрузку; расчет по предельному состоянию или усталостный в случае признаков увеличения нагрузки и характера ее действия), в степени усложнения расчетных процедур (расчет стандартных элементов или комплексных конструкций в случае признака степени комплексности конструкции) или в формировании входных параметров в расчеты (признак материала, качества, продолжительности действия нагрузки).

Однако все разновидности методик расчета должны отвечать некоторым общим требованиям:

  • учитывать время эксплуатации;
  • экономические критерии;
  • относительность нормирования прочности, а также опыт постройки и эксплуатации судов.

Закономерности, которым подчиняются все составные элементы норм прочности, должны устанавливаться с учетом изменения во времени участвующих в их формировании факторов. Такой подход реализуется путем построения долговременных распределений нагрузок за весь срок службы корпуса с помощью так называемой полновероятностной схемы, позволяющей ответить на вопрос об обеспеченности нагрузки данной величины за фиксированный срок и при заданных условиях эксплуатации. Изменение параметров работоспособности конструкций обычно учитывается неявно как некоторая постоянная часть запаса прочности. Вместе с тем изменение прочности во времени может быть у разных конструкций существенно различным и требует дифференцированного учета.

В этих условиях объективной характеристикой прочности может служить вероятность превышения опасного уровня напряжений за весь срок службы конструкции. Для упрощения расчетных процедур при использовании этого признака задача нормирования прочности сводится к отысканию некоторого приведенного состояния конструкции (промежуточного между новым и предельно изношенным), при котором должна вычисляться нормативная обеспеченность расчетных напряжений. При умеренных износах (10—15%) за такие приведенные состояния можно принимать состояния, отвечающие середине срока службы конструкции. Этот подход был реализован в Правилах и Нормах.

Повышение прочности, ужесточение технических норм связаны с увеличением массы конструкции, ростом ее строительной стоимости и уменьшением провозоспособности судна. Однако более прочная конструкция часто позволяет уменьшить затраты на эксплуатацию, в зависимости от вероятности ее разрушения или повреждения, и повышения затрат на ремонт.

Применительно к нормам прочности корпусов транспортных судов учет экономических факторов дает важную информацию для выбора расчетных критериев прочности и позволяет обосновать рациональный, экономически целесообразный запас прочности. Возможности оценки и учета этих условий должны быть предусмотрены в методике расчета.

Многие элементы, а также особенности и свойства, определяющих норму прочности факторов, всегда остаются непознанными до конца. При нормировании прочности реальные нагрузки неизбежно заменяются расчетными эквивалентами:

  • реальный материал — средой с некоторыми идеализированными свойствами;
  • реальная конструкция — условной схемой;
  • реальное напряженное состояние — математической моделью;
  • реальная прочность — условными измерителями и т. п.

Дополнительную условность в нормирование прочности вносят экономические факторы, часто учитывающие переходящие конъюнктурные требования. Поэтому методика расчета, связывающая все эти условные элементы, также неизбежно несет в себе различные условности, и полученные с ее помощью результаты остаются в значительной степени условными.

Норма прочности всегда остается в большей или меньшей степени условной и обязательно должна содержать запасы, интегрально учитывающие возможные опасные последствия принятых допущений и отступлений от объективной реальности.

Читайте также: Обозначение и расшифровка всех составляющих корпуса судна

Подытоживая сформулированные выше положения, следует сказать, что всякая норма прочности оказывается относительной и не может рассматриваться как абсолютная истина, а степень надежности нормы всегда связана с проверкой ее на практике. Надо иметь в виду случайную природу большинства параметров, участвующих в формировании нормы, возможную комбинацию которых можно предсказать только с определенной степенью вероятности, что также обязательно требует введения в расчет запаса прочности и увязки нормы с конкретными вероятностными характеристиками. Такие вероятностные характеристики обычно представляют в форме нормативных значений надежности (степени риска нарушения прочности). В зависимости от последних выбирают и запасы прочности.

Задачи науки о прочности судовых корпусных конструкций

Решая вопросы, связанные с обеспечением достаточной прочности всего корпуса и отдельных его конструкций, необходимо иметь в виду, что до сих пор при их проектировании используются условные расчетные схемы, отражающие только некоторые основные факторы, влияющие на прочность. Эти факторы, как было показано выше, значительно отличаются для судов, эксплуатируемых в различных условиях. Еще недавно при расчете конструкций повсеместно принималось условное деление корпусных конструкций на элементы. В современных условиях все чаще удается рассматривать крупные пространственные конструкции как одно целое. Для этого широко используются численные методы и ЭВМ.

В настоящее время изучение вопросов прочности корпусных конструкций не ограничивается строительной механикой и проектированием конструкций. Вопросами прочности занимаются также такие научные дисциплины, как гидродинамика, физика металлов, конструктивная прочность материалов, прочность сварных соединений.

Изменения в мировом транспортном процессе вызвали появление новых конструктивных типов судов с большой скоростью, применяющих новую технологию перевозки грузов, новую технику обработки грузов в портах и т. д. Все это ставит перед кораблестроителями совершенно неожиданные проблемы, которые приходится решать при отсутствии достаточного опыта работы судов в новых условиях.

Примером важной проблемы прочности является ее обеспечение при резком возрастании скоростей движения судов, когда в отдельных поперечных сечениях корпуса от ударов носом о воду, от заливаемости появляются дополнительные изгибающие моменты, соизмеримые с максимальными изгибающими моментами на миделе при статической постановке на волну.

Возникновение больших динамических нагрузок на судах новых поколений потребовало нового подхода к расчету местной прочности, а вызванная ими вибрация создала трудности, так как явилась причиной возникновения усталостных трещин. Этому способствовала и установка мощных высокооборотных главных двигателей. Потребовалось выявить причины появления трещин. Практика эксплуатации судов в разных условиях плавания ранее показала, что большое влияние на работоспособность конструкций оказывают сварочные и реактивные напряжения и высокая концентрация напряжений в прерывистых связях.

Обе эти причины во время постройки и эксплуатации первых целиком сварных судов принесли много неприятностей. Изучение работы материала при различных напряженных состояниях конструкций относится к области физики металлов и комплексу наук о прочности материалов, получивших название конструктивной прочности. Корпусные конструкции при эксплуатации судов соприкасаются изнутри и снаружи с жидкостью, которая оказывает на эти конструкции динамические воздействия. Повреждения конструкций в последнее время связывают с явлением малоцикловой усталости.

При изучении сложных процессов, происходящих в конструкциях, требовался системный подход с целью учета при работе корпусных конструкций не только выводов, полученных дисциплинами прочностного цикла физики металлов, но также влияния технологических процессов постройки и ремонта. Использование системного подхода позволило обеспечить повышение надежности работы конструкций судов, эксплуатируемых в новых условиях. Под надежностью здесь подразумевается не только обеспечение прочности конструкций, но и их удобство обслуживания, экономичность изготовления и ремонтопригодность.

Рассматривая надежность конструкций, а не просто их прочность, необходимо особое внимание уделять вопросам судоремонта, основываясь на новых теоретических разработках, заключающихся в использовании методики дефектации и специальных норм дефектации, разработанных для каждого отдельного типа судов. Это особенно важно при обнаружении недостатков в прочности отдельных конструкций для выработки рекомендации по способам подкрепления конструкций и решения вопроса о допущении к дальнейшей работе судов с конструкциями, получившими деформации, на какой-то определенный срок или даже до их списания.

Общий продольный изгиб корпуса судна в статической постановке вполне допустимо использовать для представления упрощенной физической картины работы корпуса плавающего судна, прежде всего из-за наглядности этого приема при обучении студентов. Поэтому дальше нами будут рассмотрены условия работы корпуса судна при статическом положении на тихой воде и на взволнованной поверхности (вершина и подошва волны) с учетом динамических представлений.

Пассажирское судно
Пассажирское судно в карибском бассейне в штиль
Источник: Pixabay.com

Проектируя корпус судна и отдельно его конструкции, нет необходимости ориентироваться на волнение в центре циклона или на волны от подводного землетрясения, т. е. на волны максимально возможной интенсивности, которые могут встретиться в данном районе моря один раз в 50—100 лет. Поэтому представляется возможным за расчетное принять волнение, ограниченное по своим параметрам. Однако для этого необходимо обеспечить при эксплуатации определенные мероприятия, исключающие возможность попадания судов в более сложную ситуацию, чем она принималась в расчетах при их проектировании. К такого рода мероприятиям прежде всего нужно отнести проводку гидрометеорологическими службами судов в море в обход штормовых районов. Однако при этом не исключены ошибки в прогнозе погоды. Такие ошибки сыграли не последнюю роль в гибели в марте 1987 г. теплохода «Комсомолец Киргизии».

Судно находилось под проводкой службы погоды Ленинградского гидрометцентра. По ее указанию оно вышло из Канады в море и уже в 200 милях от берега попало в ураган. Предсказания синоптиков при более ранних проводках того же судна содержали большие ошибки. По заявлению капитана, в 1984 г. судно дважды попало в ураган, хотя синоптики обещали штиль.

Во время проведения экспериментов на переходе через океан теплоход «Пестово» (типа «Варнемюнде») находился под проводкой береговых служб погоды, однако это не помешало ему попасть в центр циклона у Алеутских островов, где маневрирование было затруднено.

Другим важным обстоятельством, которое необходимо учесть при назначении расчетной интенсивности волнения, является возможность временного выхода из строя главных двигателей. При этом судно теряет способность двигаться, маневрировать и не в состоянии покинуть наиболее опасные морские районы. Это может привести к встрече с тяжелыми условиями, которые не учитывались при проектировании судна.

При расчетах прочности корпусных конструкций рассматриваются лишь основные связи для каждого конкретного судна. Из-за сложности судового корпуса используется идея расчленения его на ряд систем с целью последовательного рассмотрения каждой в отдельности. Каждая система разбивается на подсистемы. Так, судовой корпус идеализируется тонкостенной пустотелой балкой с переменными поперечными сечениями по ее длине, состоящей из стенок (борта, продольные переборки) и поясков (палубы, днище, второе дно). Днище, борта, палубы, переборки, представляющие собой системы, разбиваются на подсистемы. Для системы «палуба» подсистемами будут бимсы, карлингсы, обшивка, продольные ребра. Для системы «днище» подсистемами будут днищевые стрингеры, флоры, листы наружной обшивки и настила второго дна, продольные ребра.

Весь корпус судна может рассматриваться как совокупность систем (перекрытий) и подсистем (набора), изготовленных из материала, обладающего свойствами сплошности и однородности; хотя реальные материалы этими свойствами не обладают. Даже катаные и сварные профили и листы наружной обшивки, изготовленные из стали одной марки, дают значительный разброс предела текучести, ударной вязкости и относительного удлинения.

Таким образом, для расчета корпуса судна вводится ряд упрошенных представлений и допущений применительно к выбранным материалам, размерам конструкций и их геометрии, в результате чего получается расчетная модель и выделяются основные факторы, наиболее влияющие на прочность судна. К основным факторам относятся внешние нагрузки, действующие на судно при плавании на волнении в море.

Имея расчетную схему, необходимо связать внешние воздействия на конструкцию с определенными ее состояниями. Для этого существуют критерии (признаки) прочности, на основании которых проводятся оценка и нормирование прочности с ориентацией на принятые нормативы опасных состояний конструкции. Необходимо выявлять количественную связь между параметрами, определяющими опасное состояние конструкции, и такими же параметрами этой конструкции в конкретных условиях ее работы.

Требования, предъявляемые к корпусу в целом и к его отдельным конструкциям

Основным требованием при проектировании конструкций является создание такого корпуса судна, прочность конструкций которого обеспечивалась бы во всех наихудших, но возможных условиях эксплуатации в течение назначенного периода времени или до замены в ремонте, или, наконец, до конца срока работы судна, т. е. до его списания. Однако это не всегда удается из-за возможности попадания судов в чрезвычайные условия во время жестоких штормов, как и не удается пока добиться полного отсутствия в корпусе местных повышенных напряжений (они неожиданно могут вызвать трещины, которые быстро внезапно распространяются).

Трудности, возникающие при проектировании корпуса судна в целом и отдельных его узлов и деталей, вызываются тем, что приходится решать не только вопросы прочности, которые сами по себе достаточно сложны, но и вопросы по обеспечению конструкциям ряда других свойств, необходимых при выполнении отдельных функций, от которых зависят и сами расчеты корпуса.

Конструкторам приходится менять расчетные схемы на случай, если изменятся условия эксплуатации, методы перевозки грузов, свойства используемых для корпуса материалов. Для этого необходимо разобраться, какое влияние оказывают эти ранее не учтенные факторы на прочность, и установить новые качественные и количественные зависимости между этими факторами. Особенно важно это для судов новых конструктивных типов, для которых характерно появление наибольшего количества новых факторов.

Желание спроектировать корпусные конструкции так, чтобы каждый их узел и элемент узла наилучшим образом функционировали в эксплуатации при минимуме затрат на постройку, заставляет конструктора учитывать условия их коррозии и износа и необходимость восстановления при уменьшении толщины связей. Для определения целесообразности увеличения толщины связей, чтобы они работали весь срок эксплуатации судна до списания, или ее уменьшения из расчета замены связей через какой-то определенный срок требуются надежные экономические расчеты. Оптимизация размеров связей представляет значительную сложность из-за отсутствия надежных нормативов по износам и коррозии в разных условиях работы судов. Нет и систематизированных данных по затратам на эксплуатацию и ремонт. Знание частоты повреждений от коррозии и износа позволило бы делать более точные расчеты при проектировании.

Успешное решение системной (комплексной) задачи проектирования конструкций возможно при стройной системе критериев для сравнительной оценки различных решений. Разработать такую систему критериев очень трудно из-за сложности учета многочисленных факторов и степени их взаимовлияния. В настоящее время учитывается только ограниченное число основных факторов, от которых зависит выбор критериев. Это упрощает выбор отдельных критериев, но достоверность результатов при расчете может оказаться недостаточной. Поэтому для решения отдельных вопросов приходится использовать условные измерители, которые не всегда дают желаемые результаты.

Будет интересно: Корпусодостроечные работы

Критерии прочности, как указывалось, должны выявлять количественную связь между параметрами, характеризующими состояние конструкций под действием внешних нагрузок, и аналогичными параметрами ее опасного состояния. Каждому опасному состоянию соответствует определенный вид разрушения, наблюдающийся при эксплуатации судов в наиболее тяжелых условиях плавания. В зависимости от выбранного опасного состояния конструкции определяются требования к расчетной схеме. Последняя при принятых критериях должна предусматривать наличие в конструкции некоторого запаса прочности.

Он должен быть тем больше, чем больше может быть ошибка при определении внешних усилий, действующих на судно. Запас нужен для того, чтобы избежать повреждений в случае появления нагрузок, превышающих величины, принятые в расчетах за опасные. Если запас взят избыточным, надежность конструкции увеличивается, но и масса ее будет избыточной, а стоимость изготовления конструкций станет выше. Из этого вытекает, что запас прочности следует назначать из условия работы конструкций в самых тяжелых условиях плавания. Большое значение при этом имеют физические свойства материала конструкций и его способность противостоять внутренним повреждениям и повышенной концентрации местных напряжений.

Круизное судно
Огромное круизное судно у причала
Источник: Pixabay.com

Задачей конструктора при проектировании конструкций судна является уменьшение массы всего корпуса, что позволяет увеличить грузоподъемность судна и уменьшить трудовые затраты при изготовлении конструкций. Уменьшение массы корпуса судна достигается путем использования сталей повышенной прочности и легких сплавов, несмотря на их более высокую стоимость. Эти мероприятия оказываются экономически целесообразными.

Важно отметить, что при использовании обычной углеродистой стали (ОУС) не удалось бы построить экономичные в эксплуатации крупнотоннажные суда, так как они смогли бы брать очень небольшое количество грузов. Изготовление корпусов крупнотоннажных судов из сталей повышенной прочности позволило повысить их экономические показатели. Доля металлического корпуса в общей массе судов из ОУС с увеличением размеров значительно увеличивается. Для сохранения этой доли, как на судах средних размеров из ОУС, при увеличении размеров необходимо применять стали повышенной прочности (СПП).

Уменьшение массы корпуса не всегда рационально с технической и экономической точек зрения. Иногда, исходя из соображений повышения долговечности работы конструкции, требуется значительное увеличение размеров связей.

Технологические факторы при изготовлении и ремонте конструкций во многих случаях играют решающую роль для назначения толщины обшивки и выбора размеров связей набора. Особое внимание уделяется выбору толщин связей в районах корпуса, подвергающихся повышенной коррозии и износу, а также выбору толщин листов, подвергающихся горячей обработке. Обычно эти детали конструкций значительно утолщают. Исходя из технологии изготовления толщина всей обшивки мелких судов значительно больше, чем требуемая по условиям прочности.

Особенно много трудностей встречается при резке и сварке листов и набора, имеющих малые толщины. Бывает совершенно невозможно избежать больших деформаций, которые ухудшают внешний вид сооружения и оказывают отрицательное влияние на его прочность. Тепловые деформации при газовой резке и сварке создают местные перенапряжения металла и вызывают опасные плоскостное и объемное напряженное состояния, охрупчивающие металл. Поэтому при изготовлении и ремонте конструкций требуется строгое соблюдение технологической дисциплины.

Ошибки при сборке и сварке приводят к дефектам, которые изменяют механические качества и химический состав стали.

При изготовлении отдельных узлов и деталей корпуса прибегают к унификации и стандартизации, что способствует повышению качества изготовления и уменьшению стоимости постройки судна. Этому способствует использование для изготовления оболочки и палуб судна листов максимальных размеров. Однако унификация и стандартизация не должны препятствовать совершенствованию конструкций, что может достигаться регулярным пересмотром стандартов.

Необходимо учитывать, что отдельные рекомендации по конструированию узлов при создании судов новых конструктивных типов оказываются совершенно неприемлемыми, однако конструктор не всегда в состоянии оценить это и механически пользуется ими. Поэтому проектирование и постройка этих судов должны осуществляться под наблюдением научных подразделений. На практике бывает так, что отдельные конструкции в составе корпуса, появившиеся не всегда обоснованно, повторяют в последующих проектах механически, а иногда вводят в нормативные документы и рекомендуют по традиции. Очень важно отметить, что на судах, построенных в разных странах, принимаются решения, принципиально отличающиеся друг от друга, что приводит к ошибочным результатам.

Предлагается к прочтению: Как, и где изготавливают составные детали корпусных конструкций?

Широкое использование системного подхода при проектировании и обеспечении прочности корпусных конструкций с определенной системой надежных критериев позволяет все более уверенно согласовывать отдельные противоречивые требования к корпусу судна. В решении многовариантных задач широко применяются быстродействующие ЭВМ с учетом экономических взаимозависимостей.

При использовании СПП необходимо проявлять большую осторожность, так как могут проявиться новые качества материала, а при проверке его пригодности нельзя ориентироваться на критерии, принятые ранее для других материалов. Должна изучаться конструктивная прочность материала, т. е. характеристики прочности в сочетании с металлофизическими особенностями в реальных условиях работы конструкций. При этом необходимо учитывать условия изготовления конструкций и спроектированных узлов. Использование передовых приемов конструирования может во много раз повысить надежность работы отдельных узлов, особенно в условиях динамических нагрузок.

Применение новых сталей для изготовления конструкций требует повышения точности расчетов и надежного определения поля напряжений в районе различных конструктивных нововведений.

Итак, появление судов новых конструктивных типов, увеличение их размеров и скорости заставляют по-новому решать многие вопросы обеспечения прочности. При этом должны учитываться следующие основные требования к корпусу судна:

  1. Масса материала конструкций должна быть возможно меньшей, однако при некоторых экономических условиях утяжеление конструкций вполне допустимо.
  2. Системный анализ прочности и проектирования конструкций должен использоваться повсеместно.
  3. Конструкции должны наилучшим образом соответствовать своему функциональному назначению.
  4. При разработке конструкций необходимо стремиться к наилучшей их доступности при постройке, ремонте, окраске, очистке и осмотре.
  5. Характеристики каждой проектируемой конструкции должны соответствовать действующим отраслевым стандартам, согласовываться с действующими нормами и быть сверены с последними альбомами типовых рекомендуемых конструкций с учетом унификации.
  6. Качество изготовления конструкций как при постройке, так и при ремонте должно обеспечивать надежную их работу в течение всего запланированного срока эксплуатации.
  7. При постройке и ремонте судна должны применяться технологии, отвечающие требованиям времени, с учетом достижений науки для уменьшения внутренних напряжений конструкций, особенно концентрации местных, в наиболее сложных районах корпусов судна.

Сноски
Sea-Man

Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter

Сентябрь, 01, 2020 86 0
Читайте также