Теория устройства судна

Общее представление о форме наружной поверхности корпуса дает сечение его тремя взаимно перпендикулярными плоскостями (рисунок 5.1).

Вертикальная плоскость, идущая вдоль судна по середине его ширины и разделяющая судно на две симметричные половины (левый и правый борт), называется диаметральной плоскостью (ДП). Поверхность воды в спокойном состоянии, которая пересекает наружную обшивку судна, несущего все полагающиеся по роду его службы грузы, образует плоскость грузовой ватерлинии (ГВЛ). Эта плоскость отделяет подводную часть судна от надводной части. Поперечная плоскость, рассекающая судно по середине его длины, называется плоскостью мидель - шпангоута.

Рисунок 5.1 Расположение основных плоскостей. 1-плоскость мидель-шпангоута; 2- диаметральная плоскость; 3 - плоскость грузовой ватерлинии

Ряд плоскостей, параллельных ДП, образуют на поверхности судна линии батоксов (рисунок 5.2).



Рисунок 5.2 Линии пересечения наружной поверхности судна плоскостями, параллельными основным плоскостям: 1 - батоксы; 2 - форштевень; 3 - ватерлиния; 4 - шпангоуты; 5 - ахтерштевень.

Пересечения наружной обшивки с горизонтальными плоскостями образуют промежуточные ватерлинии, а с вертикально-поперечными - шпангоуты. При совмещении всех перечисленных сечений на одном чертеже получится обычная для судостроителей форма представления поверхности судна - теоретический чертеж (рис.3).

Исчерпывающее представление о форме корпуса судна дает его теоретический чертеж (рисунок 5.3). Он состоит из трех проекций, на каждой из которых изображаются сечения корпуса плоскостями, параллельными рассмотренным выше, -- ДП, пл. МШ и ОП. На теоретическом чертеже представляется теоретическая поверхность корпуса без учета наружной обшивки и выступающих частей.

Рисунок 5.3 Теоретический чертеж судна

Основные габаритные размеры корпуса принято называть главными размерениями. Это L -- длина судна; В -- ширина; Н -- высота борта; Т -- осадка. Первые три неизменны и относятся к геометрическим характеристикам корпуса в целом, последняя -- осадка -- может изменяться в широких пределах и определяет погруженный (подводный объем) судна. Обычно, когда говорят о главных размерениях судна, то принимают осадку по расчетную, или конструктивную, ватерлинию, соответствующую проектной загрузке судна.

Длина тоже должна быть конкретизирована. Различают длину между перпендикулярами L, по КВЛ Lквл, максимальную Lmах. Первые две близки между собой, последняя является габаритной. При изучении мореходных качеств судна, строго говоря, следует оперировать с длиной по ватерлинии, однако часто вместо нее принимают однозначно определенную величину -- Lхх.

Наиболее крупные современные суда достигают весьма внушительных размеров: их длина может превышать 400 м, ширина 60, а осадка в грузу составлять около 30 м.

Обобщенные характеристики формы. Наряду с теоретическим чертежом представление о форме корпуса судна дают обобщенные безразмерные характеристики -- соотношения главных размерений и коэффициенты полноты. От этих характеристик во многом зависят как мореходные, так и другие качества судна.

Основные соотношения главных размерений следующие: . Отношение , или, как его иногда называют, относительная длина, в значительной степени определяет ходовые качества: чем оно больше, тем относительно быстроходнее судно. У современных водоизмещающих судов эта величина колеблется в диапазоне . Нижний предел характерен для некоторых буксирных судов, верхний присущ высокоскоростным военным кораблям. Естественно, имеют место и исключения, так, например, некоторые спортивные лодки для академической гребли имеют > 25.

Отношение в основном влияет на остойчивость и качку. Чем оно больше, тем лучше с точки зрения остойчивости, хотя качка при этом делается более порывистой. Для современных морских судов .

Отношение - влияет на управляемость: его увеличение повышает устойчивость на курсе и ухудшает поворотливость.

Отношение -определяет остойчивость на больших углах наклонения и непотопляемость судна. Рост благоприятно влияет на оба эти качества.

Отношение влияет на прочность корпуса, чем выше это отношение, тем сложнее обеспечить общую прочность судна.

Основных независимых коэффициентов полноты три. Это коэффициент полноты площади ватерлинии

(5.1)

где S- площадь КВЛ;

коэффициент полноты мидель-шпангоута

где - площадь сечения мидель-шпангоута ниже ВЛ

коэффициент общей полноты

где V -- объем подводной части корпуса или объемное водоизмещение.

Как следует из (5.1) - (5.3), все коэффициенты полноты - суть отношения площадей (объема) соответствующих элементов к площадям (объему) описанных прямоугольников (параллелепипедов). Все эти коэффициенты меньше единицы, их численные значения для морских судов лежат в пределах: . Меньшие величины характерны для более быстроходных судов; верхние границы отвечают тихоходным судам с очень полными обводами (образованиями).

В некоторых расчетах теории корабля удобнее пользоваться производными от основных, дополнительными коэффициентами продольной ф и вертикальной полноты, физическая интерпретация которых ясна.

Пример 5.1. Некоторые из рассматриваемых теоретических положений и выводов будем иллюстрировать примерами. Большую их часть отнесем к одному судну, которому дадим имя «Инженер». Выбор названия не случаен: во-первых, первоначальный смысл слова инженер -- изобретатель, созидатель, во-вторых, инженер -- это основная движущая сила научно-технического прогресса, плоды которого еще не столь весомы, как хотелось; в-третьих, цель настоящей книги -- внести посильную лепту в превращение студента в квалифицированного инженера.

Итак, задано многоцелевое сухогрузное судно «Инженер», боковой вид которого приведен на рисунок 5.4, а основные характеристики таковы:

L_mах = 181 м; V = 28700 м³;

L₊₊ = 173 м; D = 29400 т;

В = 28,2 м; G = 288000 кН;

Т = 9,5 м; S = 3700 м²;

Н = 15,1 м; щ_мш = 261м².

Судно имеет носовой бульб, машинное отделение сдвинуто в корму (промежуточное положение машинного отделения МО). Система набора комбинированная -- верхняя палуба и двойное дно набраны по продольной системе, борта по поперечной

Найдем соотношения главных размерений и коэффициенты полноты судна:

Коэффициент общей полноты по (5.3)

Коэффициент полноты площади ВЛ по (5.1)

Коэффициент полноты мидель-шпангоута по (5.2)

Рисунок 5.4 Судно «Инженер»

Величины коэффициента общей полноты и отношение -- дают основание полагать, что «Инженер» имеет достаточно острые обводы и относится к среднескоростным транспортным судам.

Элементы теоретического чертежа. В расчеты по теории корабля закладываются различные характеристики формы корпуса. К основным элементам теоретического чертежа относят:

-- объемное водоизмещение V;

-- координаты центра величины х_с, z_c;

-- площадь ватерлинии S;

-- абсцисса центра тяжести площади ВЛ х_F;

-- центральные моменты инерции площади ВЛ I_Х и Iу;

-- коэффициенты полноты б,в,д.

Центром величины называют центр тяжести (центр масс) подводного объема корпуса (объемного водоизмещения).

Строевая по ватерлиниям -- это зависимость площади ватерлинии от осадки, в силу она характеризуем и распределение объема в функции от осадки. Большинство современных транспортных судов имеет плоское днище, в этом случае зависимость S(Т) не исходит из начала координат (рисунок 5.5). Очевидно, что площадь, ограниченная строевой по ВЛ и осью ординат, -- суть объемное водоизмещение при заданной осадке Т. Строевая по ВЛ широко используется при решении задач о приеме и расходовании малого груза.

Грузовой размер представляет собой зависимость водоизмещения от осадки. На этот график, кроме объемного водоизмещения V, определенного по теоретическому чертежу, наносят еще и водоизмещение с учетом обшивки и выступающих частей V_i, а также и массовое водоизмещение D (рисунок 5.6). Грузовой размер, в частности, используется при решении задач приема и снятия большого груза.



Рисунок 5.5 Строевая по ватерлиниям

Рисунок 5.6 Грузовой размер

Масштаб Бонжана представляет совокупность зависимостей площадей всех теоретических шпангоутов от их погружения щ(z). Величины указанных площадей определяются: в виде

(5.4)

Строится масштаб Бонжана на трансформированном контуре сечения корпуса диаметральной плоскостью. Трансформация заключается в том, что для удобства использования, линейные масштабы вдоль осей ох и оу выбираются различными (рисунок 5.7). От вертикальных линий, следов соответствующих теоретических шпангоутов откладывают доведенные до высоты верхней палубы значения площадей шпангоутов щ(z).

С помощью масштаба Бонжана можно определить водоизмещение по любую, в том числе и наклонную (для судна, сидящего с дифферентом), ватерлинию. Масштаб Бонжана используется при расчетах непотопляемости, продольного спуска судна, а также для других целей. Строевая по шпангоутам характеризует распределение объемов по длине судна и представляет собой зависимость площади шпангоута от его расположения вдоль оси ох при заданной осадке (рисунок 5.8).

Рисунок 5.7 Масштаб Бонжана

Рисунок 5.8 Строевая по шпангоутам

Строевая по шпангоутам может быть построена с помощью масштаба Бонжана для любой ватерлинии. Очевидно, что площадь, заключенная между строевой и осью ох, суть объемное водоизмещение. Строевая по шпангоутам, в частности, используется при расчете моментов, изгибающих судно.

Контрольные вопросы:

1. Что собой представляет теоретический чертеж судна?

2. Какие величины соотношения главных размерений и коэффициентов полноты характерны для транспортных судов?

3. Что такое масштаб Бонжана?

Плавучесть судна. Уравнения равновесия плавающего судна. Понятие о грузовой марке

Плавучестью называется способность судна плавать в заданном положении относительно поверхности воды. Имеется в виду, что судно может плавать по поверхности, либо в полностью погруженном положении, при этом считается, что оно не имеет хода, либо его скорость настолько мала, что силами гидродинамической природы можно пренебречь. Здесь и в дальнейшем, в остальных разделах теории корабля, будем полагать судно бесконечно жестким, недеформируемым телом. Это очередное допущение, однако, как показывает практика, учет деформаций корпуса при изучении мореходных качеств судна, существенно усложняя расчеты, не повышает их точности, а тем более не вносит качественных изменений в их результаты.

На плавающее в покое судно действуют две вертикальные, равные между собой и противоположно направленные силы: сила тяжести G и сила плавучести гV:

G= гV (6.1)

где г=сg- удельный вес; с- плотность (р = 1 т/м³ для пресной и с = 1,025 т/м³ для морской) воды; g- ускорение свободного падения

Равенство (6.1) представляет собой выражение известного со школьной скамьи закона Архимеда, в связи с чем силу плавучести часто называют архимедовой.

Сила тяжести судна О приложена в центре его тяжести, а сила плавучести - в центре величины. Только равенства этих сил недостаточно для обеспечения равновесия судна, необходимо еще и равенство нулю суммы моментов этих сил относительно координатных осей:

(6.2)

(6.3)

где х_g, у_g -- координаты центра тяжести судна; х_с, у_с -- координаты центра величины

В силу симметрии корпуса относительно ДП у_с = 0, соответственно для того, чтобы судно плавало прямо (и = 0), необходимо распределить нагрузку, составляющую силу его тяжести, таким образом, чтобы и

у_g =0 (6.4)

Из (6.1) и (6.2) вытекает второе требование к положению центра тяжести судна, плавающего прямо и на ровный киль:

х_g,= х_c (6.5)

Координаты центра величины определяются только формой подводной части судна и для каждой заданной осадки (заданного водоизмещения) легко находятся, в частности, с помощью кривых элементов теоретического чертежа.

Сила тяжести судна рассчитывается путем суммирования отдельных статей нагрузки, включающих корпус, главные и. вспомогательные механизмы, оборудование, устройства, системы, запасы воды, топлива, экипаж судна и пассажиров, перевозимый груз и т. д.

(6.6)

где - сила тяжести отдельной статьи нагрузки

Координаты центра тяжести судна находят с использованием известных из курса теоретической механики зависимостей:

(6.7)

Отдельные грузы на судне должны размещаться таким образом, чтобы обеспечить выполнение условий (6.4) и (6.5). Положение центра тяжести по высоте (величина х_g) также не может быть произвольным, его выбирают таким, чтобы оно отвечало требованиям обеспечения остойчивости.

Грузовой размер (рисунок 5.6) представляет собой однозначную зависимость водоизмещения от осадки для судна, сидящего на ровный киль (ц=0). В процессе эксплуатации, особенно в балластных пробегах, зачастую имеет место значительный дифферент. Для определения водоизмещения судна в этом случае служит диаграмма Г. А. Фирсова (рисунок 6.1). На ней по координатным осям отложены осадки носом и кормой, определяющие дифферент судна. Нанеся на диаграмму точку, отвечающую заданным (известным) значениям Т_Н и Т_К, легко найти объемное водоизмещение V судна и соответствующую ему абсциссу центра величины х_с. Диагональ диаграммы (пунктирная линия) относится к судну, сидящему на ровный киль (ц= 0), т.е. соответствует грузовому размеру.

Осадку судна определяют по маркам углублений (маркам осадки), которые наносят на оба борта в носу и корме судна, а также и в районе миделя. Осадки на этих марках отмечают через дециметр, отсчитываются они от нижней кромки горизонтального киля. Изменение осадки судна при грузовых операциях. Любое изменение нагрузки приводит к изменению левой части уравнения (1.19), что автоматически отражается как на величине объемного водоизмещения, так и на осадке судна.

Рисунок 6.1 Диаграмма Фирсова

Очевидно, что прием груза влечет за собой вхождение в воду дополнительного объема AV, удовлетворяющего условию, аналогичному (6.1):

с=гДV

В свою очередь, если груз не очень велик, то изменение осадки ДГ будет также небольшим, в пределах которого площадь ватерлинии S практически останется постоянной. Тогда дополнительно вошедший в воду объем

ДV=SДT (6.9)

и с учетом (6.8) получим элементарную зависимость изменения осадки при приеме (снятии) груза p

(6.10)

Выражения (6.9) и (6.10), строго говоря, справедливы лишь для прямобортного (когда S?f(T)) судна, однако практика показывает, что их использование не приводит к существенным ошибкам, если сила тяжести груза не превышает р = (10 12) % G.

Из (6.10), положив ДТ=1см = 0,01 м, легко получить выражение для так называемого числа тонн на сантиметр осадки:

(6.11)

где q -- масса груза, прием (снятие) которого приводит к изменению осадки на 1 см.

Тогда, вместо (1.28) для практических расчетов удобно использовать формулу

(6.12)

где ДТ -- изменение осадки, см; m -- масса принимаемого (снимаемого) груза, т

Из (6.10) и (6.11) следует, что для решения задач, связанных с грузовыми операциями, необходима строевая по ватерлиниям (рисунок 5.5).

Зависимости (6.10) и (6.12) используются для контроля осадки в процессе эксплуатации судна, учета влияния на осадку расходования топлива, воды и т. д.

Коэффициент полноты площади ватерлинии изменяется в достаточно узких пределах, поэтому, приняв его среднее значение б = 0,78, с учетом (6.1) и (6.11) вместо (6.12) запишем

(6.13)

где m- масса груза, т; L, В -- длина и ширина судна по рассматриваемую ВЛ, м

Формулу (6.13) можно использовать для экспресс-оценки изменения осадки при грузовых операциях.

Строго говоря, грузовая операция кроме изменения осадки в общем случае должна приводить и к появлению углов крена и дифферента, т. е. к изменению посадки в целом. Для определения этих углов мы пока не обладаем достаточной информацией, поэтому сформулируем задачу несколько иначе: какие условия должны быть выполнены, чтобы прием малого груза не сопровождался ни креном, ни дифферентом?

Очевидно, что крен не появится, если ордината центра тяжести груза у_р = 0, т. е. находится в ДП. Чтобы не возник дифферент, моменты силы тяжести груза и дополнительной силы плавучести должны быть равны, или, другими словами, сила тяжести и сила плавучести должны лежать на одной вертикали. Поскольку дополнительный, входящий в воду объем, представляет собой призму, основанием которой является ватерлиния, то абсцисса центра тяжести этого объема равна абсциссе центра тяжести площади ВЛ. Таким образом, для отсутствия дифферента необходимо выполнение условия

x_p=x_F (6.14)

Сказанное выше справедливо для относительно небольшого груза. Когда груз велик, задачу можно решать в несколько этапов, разделив его на части, к которым применимы зависимости (6.10) и (6.12). Однако при этом не исключена ощутимая ошибка: формулы (6.10) и (6.12) приближенные, погрешность может накапливаться.

Проще и надежнее использовать грузовой размер, отложив на котором требуемое приращение подводного объема , сразу найдем изменение осадки ДГ (рисунок 6.2).

Рисунок 6.2 Определение изменения осадки при приеме груза

Эти же задачи, связанные с грузовыми операциями, могут эффективно решаться с помощью так называемой грузовой шкалы (рисунок 6.3). Она представляет собой номограмму, на вертикальных шкалах которой откладывают водоизмещение в соленой и пресной воде, дедвейт, осадку, и высоту надводного борта судна. Здесь же наносят и число тонн на сантиметр осадки, а также некоторые элементы поперечной и продольной остойчивости -- возвышение малого метацентра, момент, дифферентирующий на 1 см. По одной из известных величин (D, T, D_w и др.) находят все остальные, причем для этого не требуется производить никаких выкладок. В связи с этим грузовую шкалу широко используют в процессе эксплуатации, она входит в число штатных судовых документов.

Основанием для построения грузовой шкалы служат элементы теоретического чертежа, в частности, строевая по ватерлиниям, грузовой размер, кривые апликатцентра величины и метацентрических радиусов.

Изменение осадки судна при изменении плотности воды. Морским судам приходится плавать в разных морях, заходить в устья рек; осадка при этом, естественно, не остается постоянной.

При переходе судна из воды с удельным весом у (плотностью р) в воду с г₁(р₁) в силу неизменности водоизмещения судна D = const имеем

Поскольку нет оснований ожидать большого изменения осадки, для его определения воспользуемся выражением (1.27)

(6.15)

С учетом (6.1) и (6.3), принимая за исходные объемное водоизмещение V и осадку Т, преобразуем (6.15) к виду

(6.16)

где ч -- коэффициент вертикальной полноты

Рисунок 6.3 Грузовая шкала

Положив в (6.16) среднее значение ч ? 0,9 для случая перехода из соленой воды с=1,025 т/м³ в пресную с₁ = 1,0 т/м³ получим формулу, пригодную для оценок изменения осадки:

ДT ? 0,022T (6.17)

Как следует из (6.17), для крупных судов увеличение осадки при переходе в пресную воду может быть значительным (при Т = 20 м ДТ ? 0,5 м). Пример 6.1. Для судна «Инженер» найдем число тонн на 1 см осадки, а также изменение осадки при следующих условиях: а) выгрузке 88 стандартных крупнотоннажных контейнеров общей массой 2680 т; б) переходе в пресную воду. По (6.12) определяем число тонн на 1 см осадки:



а по (6.13) --уменьшение осадки при снятии 26S0 т груза

По (6.14) рассчитываем увеличение осадки при переходе судна из соленой (р = 1,025 т/м³ ) пресную (p_l = l,0 т/м³) воду:

т. е. для рассматриваемого судна погрешность составляет

Нормирование плавучести морских судов. Морская практика показала, что безопасная эксплуатация судна возможна только в том случае, когда оно обладает достаточным запасом плавучести. В качестве последнего принимается весь водонепроницаемый объем судна, расположенный выше его действующей ватерлинии. Фактически запас плавучести определяет то дополнительное количество груза, которое может принять судно до того, как оно утратит способность держаться на воде.

Запас плавучести выражают в процентах полного водоизмещения. Его величина зависит от типа и назначения судна, района плавания и т. д. Так, на сухогрузных судах он составляет (25 -- 50) %, на нефтеналивных (10 -- 25) %, на пассажирских до (80 -- 100) % объемного водоизмещения. Необходимый запас плавучести назначается «Правилами о грузовой марке морских судов» Регистра, аналогичные документы имеют классификационные общества и других стран -- все они составлены в соответствии с Международной конвенцией о грузовой марке. При этом фактически задается минимально допустимая высота надводного борта. С этой целью в районе миделя на оба борта судна наносят так называемую грузовую марку, регламентирующую максимальную осадку судна (минимальный надводный борт) в различных условиях плавания. Грузовая марка включает палубную линию, так называемый диск Плимсоля и гребенку с направленными в разные стороны зубьями (рисунок 6.4).

Палубная линия наносится на уровне верхней кромки водонепроницаемой палубы. Диск Плимсоля, названный так в честь английского инженера, предложившего его, представляет собой окружность, пересеченную горизонтальной чертой, верхняя кромка которой совпадает с допускаемой летней ватерлинией. В нос от центра круга наносится вертикальная черта с отходящими от нее грузовыми марками -- горизонтальными линиями. Каждая из этих линий относится к определенным условиям плавания и в соответствии с этим обозначается.

Рисунок 6.4 Грузовая марка

Так, буквой Л (на иностранных судах S) маркируется грузовая марка, находящаяся на одном уровне с горизонтальной линией в диске Плимсоля, т. е. соответствующая летней ватерлинии. Буква 3 (W) обозначает зимнюю ватерлинию -- минимальная высота надводного борта увеличена. Этим учитываются более тяжелые условия плавания. Еще ниже расположена грузовая марка, относящаяся к плаванию зимой в Северной Атлантике, -- ЗСА (WNA), т.е. особо тяжелых условиях. Для крупных (L > 100 м) судов грузовые марки 3 и ЗСА совпадают. Буква Т (Т) присваивается грузовой марке, соответствующей плаванию в тропических морях. Грузовые марки, отвечающие плаванию в пресной воде, отмечаются горизонтальными линиями, отходящими от вертикальной черты в сторону диска Плимсоля.

Например, грузовая марка П (F) отстоит от летней ВЛ на Расстояние, определяемое по (6.16), где принимается для соленой воды с = 1,025 т/м³, а для пресной - с = 1,0 т/м³.

Буквы ТП (ТБ) определяют высоту надводного борта при плавании судна в пресных тропических водах. По особым правилам наносят грузовые марки на борт специальных судов (например, лесовозов), однако их идея -- лимитирование минимального надводного борта, а следовательно и запаса плавучести -- остается неизменной.

В процессе всего периода эксплуатации осадка не может превышать максимальную, допускаемую грузовой маркой для конкретных условий плавания (сезон, район, соленость воды).

Контрольные вопросы

1. Какие условия должны быть выполнены, чтобы судно плавало прямо и на ровный киль?

2. На какой вертикали должен располагаться ЦТ груза, чтобы его прием не сопровождался ни креном, ни дифферентом?

3. Что собой представляет грузовая марка судна и что она регламентирует?

Конструкция корпуса судна Обеспечение непотопляемости, качка и управляемость судна

Непотопляемость -- способность поврежденного судна сохранять плавучесть и остойчивость, а в ограниченной степени и другие мореходные качества при затоплении одного или нескольких отсеков.

Утрата судном плавучести либо остойчивости означает его гибель; снижение ходовых качеств, маневренности и ухудшение параметров качки не приводят немедленно к катастрофическим последствиям. Этим объясняется предпочтение, отдаваемое при определении непотопляемости, первым двум мореходным качествам. Строго говоря, непотопляемость не является самостоятельным мореходным качеством -- фактически это плавучесть и остойчивость поврежденного судна с затопленными отсеками.

Непотопляемость обеспечивается конструктивными и организационно-техническими мероприятиями, а в случае аварии -- борьбой команды за живучесть судна.

Основным конструктивным мероприятием, разрабатываемым еще на стадии проектирования судна, является создание достаточного запаса плавучести и правильного его использования при повреждении корпуса. Запас плавучести определяется высотой надводного борта; рациональное подразделение судна на водонепроницаемые отсеки продольными и поперечными переборками способствует минимальному расходованию этого запаса при повреждении корпуса и затоплении одного или группы помещений.

Гибель судна от потери плавучести происходит в течение длительного (несколько часов, а иногда и суток) периода, что позволяет провести работы по спасению экипажа и пассажиров. При потере остойчивости судно опрокидывается за считанные минуты, что влечет большое число жертв. Поэтому требуется, чтобы обреченное судно тонуло, не опрокидываясь, т.е. запас плавучести должен расходоваться раньше, чем запас остойчивости. Это обстоятельство также учитывается при выборе размеров и расположения водонепроницаемых отсеков.

В борьбу за непотопляемость экипаж судна обычно вступает после аварии, при этом он должен определить место и характер повреждения, предотвратить, по возможности, распространение воды, заделать пробоину, в максимальной степени восстановить остойчивость поврежденного судна и спрямить его.

Остойчивость восстанавливается путем откачки фильтрационной воды из помещений, смежных с затопленным отсеком, спуска воды в нижележащие помещения (цистерны), балластировки судна забортной водой. Спрямление судна подразумевает уменьшение (в идеале устранение) крена и дифферента. Мероприятия по спрямлению судна: осушение затопленных отсеков после заделки пробоины, перекачка жидких грузов, контрзатопление неповрежденных отсеков.

Общий принцип, которого придерживаются при борьбе за непотопляемость судна, формулируется следующим образом: восстановление остойчивости и спрямление судна должны проводиться таким образом, чтобы при этом запас плавучести расходовался в наименьшей степени. Варианты возможных затоплений прорабатываются еще на стадии проектирования судна. На их основе составляется специальная документация в виде, например, «Информации по непотопляемости для капитана», где содержатся рекомендации по наиболее эффективной борьбе за живучесть судна после аварии.

Общие сведения о качке. Качкой называются колебательные движения, совершаемые судном на поверхности воды или вблизи нее. Основная причина качки -- морское волнение.

В теории корабля судно считается абсолютно твердым телом, имеющим шесть степеней свободы. При плавании на тихой воде судно находится в положении равновесия; внешними силами (ветер, волнение и т. д.) оно может быть выведено из этого положения. Сложные перемещения судна в общем случае можно представить в виде суммы шести простейших движений - тех линейных и трех угловых.

Соответственно различают и шесть видов качки (рисунок 7.1):

- вертикальную - поступательные колебания вдоль вертикальной оси;

- бортовую - вращательные колебания вокруг продольной оси;

- килевую - вращательные колебания вокруг поперечной оси;

- продольно-горизонтальную - поступательные колебания вдоль продольной оси;

- поперечно-горизонтальную - поступательные колебания вдоль поперечной оси;

- рыскание - вращательные колебания вокруг вертикальной оси.

Первые три вида качки называют основными, поскольку колебания происходят относительно положения устойчивого равновесия, отклонения от которого сопровождается появлением восстанавливающих сил (или моментов).

Рисунок 7.1 Виды качки (основные: а--вертикальная; б -- бортовая; в -- килевая; дополнительные: г -- продольно-горизонтальная: д -- поперечно-горизонтальная; е -- рыскание)

При вертикальной качке изменяется осадка судна, а следовательно нарушается равенство сил тяжести и поддержания. Разность между ними и является той восстанавливающей силой, которая стремится вернуть судно в положение устойчивого равновесия. При бортовой качке происходит изменение угла крена, что немедленно влечет за собой возникновение восстанавливающего момента в поперечной плоскости.

Килевая качка сопровождается появлением угла дифферента, при этом восстанавливающий момент в продольной плоскости также будет возвращать судно в исходное положение устойчивого равновесия.

Остальные виды качки -- продольно-горизонтальная, поперечно-горизонтальная и рыскание - происходят относительно положения безразличного равновесия судна, отклонение от которого не ведет к возникновению восстанавливающих сил и моментов. Эти виды качки имеют место только при воздействии на судно внешних возмущений, изменяющихся во времени.

Качка судна -- отрицательное явление, поэтому, вообще говоря, мореходным качеством следует называть не саму качку, а ее умеренность, т. е. малые амплитуды и большой период.

Полностью устранить качку судов, даже самых крупных из существующих сегодня и тех, что будут построены в обозримом будущем, практически невозможно. Однако качка может быть уменьшена за счет выбора рациональной формы судна и соответствующего распределения нагрузки. Бортовая качка эффективно умеряется с помощью специальных устройств -- успокоителей качки. Характеристики всех видов качки в значительной степени определяются скоростью судна и направлением его движения по отношению к волнению. Последнее обстоятельство широко используется в морской практике для умерения качки путем выбора соответствующего курса и скорости судна.

Средства обеспечения управляемости. Управляемостью называется способность судна двигаться заданным курсом. Траектория движения судна может быть прямолинейной, а может иметь криволинейную форму. Способность судна сохранять прямолинейное направление движения именуют устойчивостью на курсе, а способность необходимым образом изменять направление движения -- поворотливостью. Только при наличии обоих этих качеств судно обладает управляемостью. Эти качества по сути своей противоречивы -- улучшение устойчивости на курсе ухудшает поворотливость судна, и наоборот. Для обеспечения требуемой управляемости приходится идти на компромисс, выбирая оптимальное для заданного судна сочетание показателей устойчивости на курсе и поворотливости. При этом существенную роль играет тип и назначение судна: для быстроходного пассажирского лайнера указанный, компромисс будет в пользу устойчивости на курсе, а для портового буксира в большей степени важна поворотливость.

Наряду с теоретическими методами при исследовании управляемости, как и других мореходных качеств, широкое применение находит модельный эксперимент. С этой целью используются экспериментальные установки -- уже знакомые нам опытовые бассейны, гидро- и аэродинамические трубы. Надежные результаты получают при испытаниях автономных самоходных моделей в открытом водоеме. Размеры таких моделей (L = 38 м) позволяют разместить на них не только оператора, управляющего движением, но и всю необходимую регистрирующую аппаратуру. Траектория движения при этом обычно фиксируется береговыми средствами.

Управляемость всех судов обеспечивается с помощью средств управления -- специальных устройств, создающих нормальные к диаметральной плоскости силы. Указанные средства управления принято подразделять на главные (ГСУ) и вспомогательные (ВСУ).

Эффективность ГСУ во многом определяется скоростью, возрастая с ростом последней. Поэтому их часто называют пассивными. К ГСУ относятся рули различных типов, поворотные винтовые насадки, направляющие аппараты судов с водометными движителями. Все они предназначены для обеспечения управляемости в основном режиме движения судна.

ВСУ называют также средствами активного управления (САУ), для своей работы они требуют подвода энергии. С их помощью может осуществляться маневрирование судна при предельно малых скоростях или даже при отсутствии хода. Наибольшее распространение получили такие САУ, как подруливающие устройства и поворотные винтовые колонки.

Самым распространенным ГСУ является рулевое устройство, включающее рабочий орган -- перо руля (или просто руль) -- и баллер, с помощью которого руль поворачивается. Перо руля представляет собой крыло малого удлинения с симметричным профилем сечения. Угол его поворота относительно ДП судна называют углом перекладки руля. Руль работает по принципу несущего крыла), возникающие на нем подъемная сила и сила сопротивления определяются величиной соответствующих коэффициентов и скоростью движения. Безотрывное обтекание руля, сопровождающееся ростом коэффициента подъемной силы, наблюдается до углов атаки а = 3035°, этими же значениями и ограничивается угол перекладки руля.

Контрольные вопросы:

1. Понятие непотопляемости судна

2. Организация мер по спрямлению аварийного судна.

3. Виды и параметры качки

4. Амплитудно-частотные характеристики качки

5. Что собой представляют вспомогательные средства управления судном и для чего они предназначены?

Общие сведения о судостроительных материалах

Для изготовления корпуса судна используют сталь, легкие сплавы, цветные металлы, дерево, пластмассы, железобетон и т. д. Наибольшее распространение сегодня в судостроении находит сталь, обладающая высокими прочностными свойствами, достаточной вязкостью, которая хорошо обрабатывается. Другие материалы применяют при постройке корпусов некоторых специальных судов: с динамическим поддержанием, спортивных и прогулочных и др. Все они, как правило, имеют относительно небольшие размеры. В последнее время легкие сплавы также широко используют для изготовления надстроек и рубок крупных морских транспортных судов.

Некоторые плавучие сооружения, в основном стояночного типа (доки, дебаркадеры, понтоны и др.), иногда делают из железобетона. Этот материал хорошо воспринимает статические нагрузки, его стоимость существенно ниже, чем стали. Однако опыт использования железобетонных самоходных судов показал, что их корпуса не способны в должной мере противостоять знакопеременным нагрузкам и вибрации, вызываемой работой двигателя и движителя.

Основным материалом для постройки корпусов современных морских транспортных судов является корпусная сталь для судостроения, характеристики которой определяются ГОСТ 5521- 86. В соответствии с ним могут использоваться углеродистые стали обыкновенного качества (обычные углеродистые стали, ОУС) и легированные стали или стали повышенной прочности (СПП). В отечественном судостроении наибольшее распространение получили стали марок ВСтЗ (ОУС), а также 09Г2, 10ХСНД (СПП), минимальный предел текучести которых соответственно составляет у_т = 2,35 * 10⁵, 2,95 * 10⁵ и 3,9 * 10⁵ кПа.

В Правилах Регистра качество стали характеризуется категорией, определяемой совокупностью требований к механическим свойствам и химическому составу. Существуют ОУС категорий А, В, Д и Е, а СПП категорий А32, Д32, Е32, А36, Д36, Е36, А40, Д40, Е40. Минимальный предел текучести ОУС всех категорий у_т = 2,35 *10⁵ кПа, для СПП цифры в обозначении категории характеризуют предел текучести: Д36 -- у_тmi_n = 3,6*10⁵кПа. Удельный вес всех видов сталей составляет г = 78 кН/м³, модуль упругости E = 2 * 10⁸ кПа.

СПП целесообразно применять в тех случаях, когда это приводит не только к снижению массы, но и стоимости конструкции.

На практике СПП используют для изготовления связей, испытывающих наибольшие напряжения при общем продольном и местном изгибе. Для судов длиной L < 100 м целесообразно применять ОУС, при 100 < L < 160 м возможно использование и ОУС и СПП с пределом текучести у_т=2,95*10⁵кПа (преимущественно для основных связей, обеспечивающих общую продольную прочность), в диапазоне 160 < L < 240 м рационально применение СПП с 2,95 * 10⁵ < у_т < 3,9 *Ю⁵ кПа, и только при L > 240 м можно ожидать полного использования прочностных свойств стали с у_т = 3,9 * 10⁵ кПа.

Корпусная сталь поставляется в виде листового, полосового и профильного проката. Сортамент листового проката включает листы, толщина которых изменяется в пределах b=450мм, ширина b=1,43,2 м, длина l = 616 м. Стальные катанные профили, находящие широкое применение в судостроении, представлены на рисунке 8.1. Их размеры ограничены существующим сортаментом и иногда могут оказаться недостаточными для использования профиля в качестве некоторых сильно нагруженных связей корпуса. В этом случае балки с требуемым моментом сопротивления сваривают (чаще всего в виде тавра) из полосового материала.

Широкое применение при строительстве СДП находят легкие сплавы на алюминиевой основе, которые при сравнительно малом удельном весе г=27 кН/м³ обладают высокой прочностью. Так, алюминиево-магниевые сплавы АМг5, АМг61, АМгбШ, АМг62Т1 соответственно имеют пределы текучести у_т•10⁵ = 1,6; 1,8; 2,5; 3,5 кПа. Модуль упругости этих сплавов E = 0,71 -10 кПа, а их стоимость сопоставима со стоимостью нержавеющей стали. Кроме того, эти сплавы обладают высокой коррозионной стойкостью, часть из них хорошо сваривается.

Алюминиевые сплавы, используемые в судостроении, поставляются в виде листов, прессованных профильных балок и панелей. Размеры листового материала лежат в пределах: толщина д = 1 60 мм, ширина b = 1,21,5 м, длина l = 2 6 м. Форма профилей из легких сплавов практически такая же, как и стальных (см. рисунок 8.1). Специально для судостроения производится несколько разновидностей прессованных панелей, одна из которых с балками полособульбового профиля представлена на рисунке 8.2.



Рисунок 8.1 Профили, используемые в судостроении

Применение прессованных панелей приводит к увеличению надежности конструкции всего корпуса СДП, способствует повышению технологичности, снижению объема сварочных работ. Используются и трехслойные клеенные панели, наружные, несущие слои которых выполняют из легких сплавов, а наполнителем служат неметаллические легкие материалы (рисунок 8.2).

Рисунок 8.2 Панели, используемые в конструкции корпуса СДП: а -- прессованные, б -- трехслойные, 1 -- несущий слой (АМг);2 -- заполнитель (пенопласт)

Ограниченное применение в судокорпусостроении находят титановые сплавы. Наряду с относительно малым удельным весом (г45 кН/м³) и хорошими антикоррозионными свойствами эти сплавы обладают высокой прочностью (модуль упругости E = 1,1 * 10⁸ кПа, временное сопротивление у_в10⁶ кПа), однако их значительная стоимость (приблизительно на порядок выше, чем у стали и алюминиевых сплавов), а также необходимость соблюдений специальных режимов в сложных технологических процессах, связанных с механической обработкой и особенно сваркой, не позволяют с достаточной эффективностью применять их даже при постройке высокоскоростных СДП.

Перспективным направлением в изготовлении корпусных конструкций является применение пластмасс -- композитных материалов. Их свойства в значительной степени определяются физико-механическими характеристиками составляющих компонент-- армирующего материала и связующего. В качестве первого наибольшее распространение получило стекловолокно. В отдельных пластмассах для достижения повышенной прочности и жесткости армирующими служат волокна бора, графита, угольные волокна. В качестве связующего материала применяются полимерные синтетические смолы: эпоксидные, полиэфирные, фенольные. Смолы соединяют элементы армирующего материала в единое целое, защищают их от действия влаги. Механические свойства пластмасс зависят от многих факторов, среди которых основную роль играют тип и весовое соотношение отдельных компонент, а также технология производства материала. Наибольшее распространение в судостроении получил стеклопластик, который, благодаря своим механическим свойствам, успешно конкурирует с другими материалами. Так, стеклопластик, намотанный однонаправленный, имея малый удельный вес (г=18 кН/м³), обладает весьма высокой прочностью (у_в=1,76*10^sкПа). Недостаточно широкое распространение пластмасс в качестве материала корпуса объясняется как технологическими факторами (высоким уровнем ручного труда, особенно на формовке узлов соединений, токсичностью компонент), так и влиянием технологии изготовления материала на его прочностные свойства.

Контрольные вопросы:

1. Почему сталь является основным судостроительным материалом?

2. Какие способы соединения металлических элементов корпуса используются в судостроении?

Конструкция перекрытий и других элементов корпуса

Днищевое перекрытие. Оно воспринимает растягивающие и сжимающие напряжения от общего продольного изгиба, а также напряжения, вызываемые местными нагрузками. На относительно небольших сухогрузных судах (L < 80 м) и на многих танкерах днищевое перекрытие не имеет второго дна. На всех сухогрузных судах большей длины, на газовозах и на крупных танкерах днищевое перекрытие сверху закрывается настилом второго дна. На современных транспортных судах наружная обшивка днища в средней части делается горизонтальной, килеватость появляется только в оконечностях. Настил второго дна на всей длине от форпика до ахтерпика также горизонтален-- это создает удобства при укладке груза и обслуживании трюмов. Наличие двойного дна повышает и безопасность плавания судна, препятствуя распространению воды в случае пробоины в днище. При выборе высоты двойного дна, расстояний между остальными элементами перекрытия учитывается и необходимость доступа ко всем конструкциям для осмотра, ремонта и окраски.

Рисунок 9.1 Днищевое перекрытие, поперечная система набора: а - сплошной непроницаемый флор; б - сплошной проницаемый флор; в - открытый бракетный флор; 1 - вертикальный киль; 2 - стрингер; 3 - междудонный лист; 4 - ребро жесткости; 5 - бракета.

Рисунок 9.2 Днищевое перекрытие, продольная система набора

Конструкция днищевого перекрытия с двойным дном, выполненного по поперечной системе набора, представлено на рисунке 9.1. Балки главного направления -- флоры, могут быть сплошными и открытыми, первые, в свою очередь, бывают проницаемыми и непроницаемыми, выгораживающими междудонные отсеки. Типы флоров, расстояния между ними регламентируются Правилами Регистра в зависимости от размеров судна, его назначения, расположения днищевого перекрытия (в оконечностях, в средней части, в районе МО) и т. д. Междудонный лист устанавливается либо по нормали к обшивке в районе скулы (рисунок 9.1), либо горизонтально.

При продольной системе набора (рисунок 9.2), днищевое перекрытие наряду с описанными выше элементами содержит продольные ребра жесткости, установленные в одной вертикальной плоскости по наружной обшивке и настилу второго дна. Сплошные флоры, выполняющие роль перекрестных связей, располагаются на каждом третьем шпангоуте, в них делаются вырезы для прохода продольных ребер жесткости. Когда эти ребра проходят через водонепроницаемый флор, то вырезы в последнем заделываются путем приварки специальных планок. Допускается разрезать продольные ребра жесткости, в этом случае к непроницаемым флорам и переборкам они крепятся с помощью книц или бракет.

Палубные перекрытия. Как и днищевые, палубные перекрытия вносят основной вклад в обеспечение общей продольной прочности. Кроме того, они воспринимают и местные нагрузки: силу тяжести палубного груза, давление воды при заливании судна во время шторма, льда - в случае его обмерзания.

При поперечной системе набора, применяемой только на сравнительно небольших судах, балками главного направления палубного перекрытия являются бимсы, перекрестными связями -- карлингсы, усиленные продольные балки, простирающиеся на всю длину отсека и привариваемые к поперечным переборкам. Как правило, карлингсы продолжают коммингсы люков, образуя вместе с ними непрерывные продольные связи. При большой длине грузового трюма в углах люков могут устанавливаться пиллерсы -- вертикальные стойки трубчатого сечения. Однако пиллерсы существенно затрудняют грузовые операции в трюмах, поэтому в последнее время они практически не используются. При продольной системе набора балками главного направления служат продольные подпалубные ребра жесткости, которые располагаются в одной вертикальной плоскости с днищевыми продольными балками и вертикальными стойками поперечных переборок. В результате создаются замкнутые продольные рамы, которые во всех четырех углах подкрепляются кницами.

В отличие от палуб, распространяющихся по всей длине судна, горизонтальные перекрытия, устанавливаемые в пределах одного отсека (или его части) называют платформами. Они воспринимают только местную нагрузку, поэтому набираются обычно по поперечной системе. Эта система хороша, в частности, тем, что все балки главного направления, бимсы, имеют одинаковую высоту, что улучшает условия размещения генерального груза и проведения грузовых операций в трюме и твиндеке.

Бортовые перекрытия. Они связывают между собой палубные и днищевые перекрытия, обеспечивая их совместную работу при общем продольном изгибе. Хотя бортовые перекрытия и воспринимают перерезывающие силы от общего изгиба, в качестве расчетной для них обычно принимают местную поперечную нагрузку. Бортовые перекрытия сухогрузных судов при относительно небольшой высоте имеют значительную протяженность в продольном направлении. В этом случае поперечная система набора с вертикальными балками главного направления наиболее целесообразна для обеспечения местной прочности. Эти балки, шпангоуты, устанавливаются на каждой шпации и по концам опираются на днищевое и палубное перекрытия. Такие шпангоуты зачастую обеспечивают достаточную жесткость всего борта, даже без перекрестных связей. Подобная конструкция бортового перекрытия удобна с точки зрения размещения грузов и проведения грузовых операций в трюмах сухогрузных судов. При большой глубине трюмов может возникнуть необходимость в промежуточных опорах, тогда вдоль борта прокладывают продольные балки -- бортовые стрингеры, выполняющие роль перекрестных связей. При этом в трюмах сухогрузных судов стремятся применять так называемую монотонную систему набора, когда шпангоуты и стрингеры имеют одинаковую высоту, что удобно при проведении грузовых операций.

Пример бортового перекрытия, набранного по продольной системе набора, -- рис. 23, на котором приведено поперечное сечение корпуса крупного танкера, имеющего двойное дно. Обшивка борта подкреплена горизонтальными продольными ребрами, непрерывно идущими по всей длине судна, исключая оконечности. Продольную переборку проектируют совместно с бортом -- продольные ребра жесткости устанавливают в одной плоскости с бортовыми. В этой же плоскости на поперечных переборках, ограничивающих отсек, размещают горизонтальные ребра жесткости.

Подкрепленные в местах соединения кницами, все эти ребра образуют горизонтальную рамку, обеспечивающую конструкции необходимую прочность.

Продольный и поперечный набор на переборке установлен со стороны бортового танка, соседний трюм свободен от набора, что облегчает проведение в нем грузовых операций, его зачистку. Перекрестные связи -- рамные шпангоут, бимс, стойка продольной переборки и флор, соединенные кницами, -- создают шпангоутную рамку, являющуюся промежуточной опорой для продольных балок главного направления.

Рисунок 9.3 Поперечное сечение корпуса танкера по бортовому отсеку: 1 - рамный шпангоут, 2 - рамный бимс, 3 - рамная стойка продольной переборки, 4 - продольная переборка, 5 - флор, 6 - настил двойного дна.

Конструкция переборок. Подразделение судна на водонепроницаемые отсеки проводится с помощью главных продольных и поперечных переборок. Они также участвуют в обеспечении общей и местной прочности судна. Количество переборок определяется Правилами Регистра и зависит от размеров и назначения судна.

Водонепроницаемые продольные переборки, устанавливаемые по всей длине, применяют, как правило, только на танкерах. Одно из назначений таких переборок-- снижение отрицательного влияния на поперечную остойчивость свободной поверхности жидкого груза.

Полотнище переборки набирают из горизонтально ориентированных листов, толщина которых убывает с высотой. Расчетным для переборки является давление воды в заполненном отсеке. Выбор набора определяется как соотношением размеров переборки, так и системой набора корпуса судна в целом, о чем говорилось выше.

Продольные и поперечные переборки, устанавливаемые на настил двойного дна, в вертикальной плоскости должны продолжать соответственно водонепроницаемый стрингер или флор. Водонепроницаемая переборка может быть гофрированной. У продольной переборки гофры должны располагаться горизонтально, поперечные переборки могут иметь горизонтальные либо вертикальные гофры. Последние могут иметь трапециевидную или волнистую форму (рисунок 9.4). Стенки гофров в определенной степени заменяют ребра жесткости соответствующего направления, поэтому гофрированные переборки легче плоских на 20--25%. Считается, что и трудоемкость их изготовления также ниже на 10--15 %. Широкое применение гофрированные (штампованные) конструкции находят в наружных и внутренних элементах надстроек и рубок.



Рисунок 9.4 Форма гофров переборок: а -- трапециевидная; б -- волнистая

Особенности конструкции корпуса в районе МО. Высокая энерговооруженность современных судов накладывает отпечаток на их конструкцию, особенно в районе машинного отделения (МО), где располагаются главные двигатели и большая часть вспомогательных механизмов. Кроме сил тяжести, на днищевое перекрытие в МО действуют большие инерционные нагрузки, вызываемые качкой судна, оголением гребного винта и «разносом» двигателя и другими причинами. Дляобеспечения нормальных условий работы главных и вспомогательных механизмов деформация днищевого перекрытия должна быть сведена к минимуму. Достаточная прочность и жесткость этого перекрытия достигается благодаря усилению его набора и надежного соединения с бортовыми конструкциями.

Усилия от двигателя передаются на перекрытия через фундамент, который совместно с элементами двойного дна должен составлять единую конструкцию. Протяженность фундамента должна способствовать распределению нагрузки от двигателя на возможно большее число жестких связей.

...