12 Прочность и конструкция корпуса судна

12.1 Выбор практической шпации

Практическая шпация была выбрана и принята в пункте 4 (в средней части судна 0,65м).

12.2 Выбор материала корпуса

Согласно правилам МРС [2] стали применяемые в судостроении и сертифицированные Регистром делятся по механическим свойствам и технологическому процессу выплавки на категории A, B, D, E.

Низколегированные стали помимо буквенного обозначения содержат в категории цифру, соответствующую пределу текучести, уменьшенному примерно в 10 раз.

Малоуглеродистые стали применяются для судов всех типов и размеров. Они отличаются надёжностью, технологичностью и относительно низкой ценой.

Группа сталей А27, Е27 освоена металлургической промышленностью России недавно и пока редко используется.

Стали А32 – Е32 широко распространены в судостроении стран СНГ, но почти не применяются в других странах. Сталь D36, E36 или D40, E40, применяются для нагруженных и ответственных мест судового корпуса, например, комингсов грузовых люков или детали верхних связей эквивалентного бруса.

В соответствии с требованиями Регистра [2] материал в средней части корпуса выбираем в зависимости от группы связей, например, шерстрек, палубный стрингер, расчётной палубы имеет III группу связей, прочие пояса расчётной палубы, верхние пояса продольных переборок, пояса обшивки днища, борта имеют II группу связей, обшивка и набор в районе ледовых усилений для ледовой категории ЛУ2 относится к первой группе связей. [2, табл.1.2.3.7, с.48].

Ледовая категория судна ЛУ2, для этого класса расчетная температура конструкций, постоянно или периодически соприкасающихся с атмосферой, выражается через минимальную расчетную температуру окружающего воздуха. Принимается Т_А= -10С⁰.

В соответствии с [2, рис.1.2.3.1, с. 47] принимаем:

для III группы связей принимаем сталь категории D32;

для II группы связей, также, принимаем сталь категории D32.

В качестве расчетных характеристик материала конструкции корпуса в “Правилах…” принимаются верхний предел текучести R_ен=315МПа, расчетный нормальный предел текучести по нормальным напряжениям:

_n=235/,

где  - коэффициент использования механических свойств стали, =0.78 [2].

Для стали с R_ен=315 МПа, =0.78 [2]

_n=235/0,78 = 301,3 МПа

Нормальный предел текучести по касательным напряжениям

_n=0,57·_n

_n=0,57·301=172 МПа.

12.3 Анализ соответствия главных размерений судна требованиям “Правил…”

L/H – характеристика общей продольной прочности судна;

B/H – характеристика общей поперечной прочности судна.

Данные соотношения для проектируемого судна с требованиями “Правил…” следующие:

L/H =85,4/5,5= 15,5 < 19 – удовлетворяет Регистру

B/H = 13,28/5,5=2,4 < 2,5 – удовлетворяет Регистру.

12.4 Выбор конструктивной схемы и системы набора

Судно выполнено с двойным дном и двойными бортами.

Для палубы и днища в средней части принимаем продольную систему. Продольная система набора лучше обеспечивает устойчивость листов, кроме того, продольные ребра жесткости участвуют в общем продольном изгибе, увеличивая момент сопротивления эквивалентного бруса. Известно, что пластина, опертая на вытянутый прямоугольный контур, при сжатии вдоль длинных сторон выдерживает примерно в четыре раза большую сжимающую нагрузку, чем при поперечной системе. Следовательно, только за счет ориентации палубных и днищевых перекрытий длинными сторонами вдоль судна можно добиться увеличения усилий, которые эти перекрытия будут выдерживать, и снижения массы корпуса.

Для наружного и внутреннего борта выбираем продольную систему набора, т.к. для борта основная нагрузка – это давление забортной воды, усилие при швартовке, давление льда, т.е. то что определяет местную прочность судна, также, т.к. в районе нейтральной оси значительны касательные напряжения.

12.5 Расчет нагрузки

12.5.1 Давление со стороны моря

Основным параметром расчетных нагрузок и ускорений, воспринимаемых корпусом со стороны моря, является волновой коэффициент

Расчетное давление р, действующее на корпус судна со стороны моря определено по формулам:

• для точек расположенных ниже ГВЛ:

,

где - гидростатическое давление (эпюра представлена на рисунке 12.1);

- расчетное давление, обусловленное перемещением корпуса относительно профиля волны (эпюра представлена на рисунке 12.1);

;

;

;

;

;

;

для точек расположенных выше ГВЛ и на палубе:

где - расчетное давление, обусловленное перемещением корпуса относительно профиля волны (= 0,267).

,кПа;

, кПа;

Эпюра суммарных давлений представлена на рисунке 12.1.

12.5.2 Давление от перевозимого груза

Давление от перевозимого груза должно рассчитываться с учетом ускорений возникающих при качке судна. Суммарное ускорение в вертикальном направлении от всех видов качки вычисляется по формуле [2]:

,

где - коэффициент зависящий от расположения сечения по длине судна:

;

Т.к. рассматриваем мидель = 0,5^.L, значит

;

м/с².

Расчетное давление на главную палубу определяется по формуле:

кПа;

где - плотность груза

h_K=4,88 м - высота укладки груза

_;

_{где mK=21 т - масса одного контейнера}

_{lK=6,06 м - длина контейнера}

_{hK=2,44 м - высота контейнера}

_{bK=2,44 м - ширина контейнера}

кПа.

Таким образом давление от перевозимого груза принимаем равным Р_г=35,7 кПа.

Расчет на внутренние борта будем производить для случая испытания отсека наливом воды, то есть гидравлическим испытанием:

, кПа,

где - плотность воды;

- расстояние рассматриваемой связи до уровня палубы в ДП ;

р_к – давление, в кПа, на которое отрегулирован предохранительный клапан, для сухогрузных судов р_к = 15 кПа

кПа

Эпюра давлений от перевозимого груза представлена на рисунке 12.1.

12.5.3 Проектирование листовых конструкций

Толщина обшивки и настила определяется из трех условий:

1. Обеспечение прочности при действии расчетных давлений.

2. Из условий минимальной строительной толщины, зависящей от износа и коррозии.

3. С поправкой на износ в конце срока службы. Предполагаемый срок службы 24 года.

Для листовых конструкций принята сталь категории D32.

В качестве расчетных характеристик материала конструкции корпуса в “Правилах…” принимаются верхний предел текучести R_ен=315МПа, расчетный нормальный предел текучести по нормальным напряжениям:

_n=235/,

где  - коэффициент использования механических свойств стали, =0,78 [2, рис.1.1.4.3, с. 41].

Для стали с R_ен=315 МПа, =0,78 [ 2, рис.1.1.4.3, с. 41]

_n=235/0,78 = 301,3МПа

Нормальный предел текучести по касательным напряжениям

_n=0,57·_n

_n=0,57·301,3=172 МПа.

Расчет толщин листовых конструкций приведён в таблице 12.1.

Таблица 12.1 - Расчет толщин листовых конструкций

№ п/п	Наименование и размеры	Номер по правилам	Расчётная формула	Результат,мм	Принято, мм
1	Толшина днищевой обшивки	[1.6.4.4]	, где m - коэффициент изгибающего момента, принимается, для обшивки днища и борта, равным 15,8; к – коэффициент зависящий от соотношения сторон опорного контура ; коэффициент допускаемых напряжений р=51,75 кПа – давление с суммарной эпюры давлений; -запас на износ и коррозию мм; u =0,2мм/год – среднегодовое уменьшение толщины листа; Т=24года - срок службы судна.	7,9 7,9	8
1.1	Ширина горизонтального киля, мм	[2.2.4.4]		1227	1800
1.2	Толщина горизонтального киля		S+2	9,9	10
2	Палубный настил	[1.6.4.4]	, Где р=35,7 кПа	5,7 7,3	8
3	Настил двойного дна	[2.4.4.2]	, где m = 15,8; p=61,5кПа; ;	7,2 7	8

Продолжение таблицы 12.1

№ п/п	Наименование и размеры	Номер по правилам	Расчётная формула	Результатмм	Принято мм
4	Внутренний борт	[2.7.4.1]	, где m = 15,8; p=61,5 кПа; ;	6,4 5,7	7
5	Толщина наружной обшивки в районе ледового усиления	[3.10.4.1] [3.10.3.2]	, где; р – интенсивность ледовой нагрузки В районе ВI а3=0,22 В районе II, III, IV интенсивность ледовой нагрузки , а=0,4 для II района	10,7 7,2	11 8

12.6 Обеспечение общей продольной прочности при общем изгибе судна

12.6.1 Изгибающие моменты и перерезывающие силы на тихой воде

Расчет ведем для одного случая судно в полном грузу.

Изгибающий момент на тихой воде можно определить по приближённой формуле [6]:

где - коэффициент момента, зависящий от формы и размера судна, состояния нагрузки, принимаем= 55 [6];

–водоизмещение судна в полном грузу;

Перерезывающая сила вычисляется по формуле:

;

12.6.2 Изгибающие моменты и перерезывающие силы на волнении

Волновые изгибающие моменты в средней части судна определяются по формулам:

,

где = 0,831- коэффициент общей полноты;

=7,3 – волновой коэффициент.

Волновой изгибающий момент вызывающий перегиб судна в средней части:

кН·м

Момент, вызывающий прогиб судна [2]:

кН·м.

Волновая перерезывающая сила в поперечном сечении [2]:

,

где = 0,7 – для средней части судна.

,

где = 0,7 – для средней части судна.

12.6.3 Изгибающие моменты при ударе волн в развал борта

Так как судно длиной менее 100 м, то ударные моменты не рассчитываются.

12.6.4 Суммарные перерезывающие силы и изгибающие моменты

Результаты расчета суммарных перерезывающих сил и изгибающих моментов представлены в таблице 12.2

Таблица 12.2 - Перерезывающие силы и изгибающие моменты для судна

№ п/п	Наименование	Размерность	Величина
1 2 3	Изгибающий момент на тихой воде Изгибающий момент на волнении (на подошве) Изгибающий ударный момент	кНм кНм кНм	-6,33^.10^4 -11,907^.10^4 0
СУММАРНЫЙ момент		кНм	-1,82^.10^5
4 5 6	Изгибающий момент на тихой воде Изгибающий момент на волнении (на гребне волны) Изгибающий ударный момент	кНм кНм кНм	-6,33^.10^4 11,163^.10^4 0
СУММАРНЫЙ момент		кНм	4,84^.10^3
7 8	Перерезывающая сила тихой воде Перерезывающая сила на волнении	кН кН	-2,96^.10^3 -2,66^.10^3
СУММАРНАЯ перерезывающая сила		кН	-5,62^.10^3
9 10	Перерезывающая сила тихой воде Перерезывающая сила на волнении	кН кН	-2,96^.10^3 2,66^.10^3
СУММАРНАЯ перерезывающая сила		кН	0,3^.10^3