Министерство образования и науки, молодежи и спорта Украины

ОДЕССКАЯ НАЦИОНАЛЬНАЯ МОРСКАЯ АКАДЕМИЯ

Кафедра «Теория и устройство судна»

Теория и устройство судна

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ

Одесса – 2012

Министерство образования и науки, молодежи и спорта Украины

ОДЕССКАЯ НАЦИОНАЛЬНАЯ МОРСКАЯ АКАДЕМИЯ

Кафедра «Теория и устройство судна»

Теория и устройство судна

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ

Утверждено кафедрой ТУС в качестве методических указаний для выполнения практических занятий по дисциплине «Теория и устройство судна» направления 6.070104 «Морской и речной транспорт» от 13ноября 2012, протокол №6.

Одесса – 2012

УДК 629.5(076)

ББК 39.42-011

Т 33

Составители: И.А. Бурмака, А.Я. Король, С.С. Любенко, О.Н. Мазур, С.В. Сауляк

Т 33	Теория и устройство судна: методические указания по выполнению практических занятий / Сост., Бурмака И.А., к.т.н., доцент, Король А.Я., к.т.н., доцент, Любенко С.С., асс. и др. - Одесса: ОНМА, 2012. - 76 с.

© Одесская национальная морская академия, 2012

СОДЕРЖАНИЕ

1

5.2 Поперечное перемещение 36

5.3 Продольное перемещение 38

ЛИТЕРАТУРА 75

ВВЕДЕНИЕ

Учебная дисциплина «Теория и устройство судна» занимается изучением не только устройства судна, но и его мореходных качеств: плавучести, остойчивости, непотопляемости, ходкости, мореходности и управляемости.

Знание мореходных качеств и возможного изменения их критериев необходимо судоводителям в процессе эксплуатации судна, для их контроля и регулирования с целью обеспечения безопасности плавания.

Эта же дисциплина дает судоводителям в процессе ее изучения пути повышения и управления мореходными качествами судна.

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ № 1. СИСТЕМА КООРДИНАТ. СИЛЫ, ДЕЙСТВУЮЩИЕ НА СУДНО. УСЛОВИЕ РАВНОВЕСИЯ. ПОСАДКА СУДНА И ПАРАМЕТРЫ ЕЕ ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ

1.1 Главные плоскости и сечения судна. Система координат

Главными плоскостями (рис. 1.1) являются:

• диаметральная плоскость (ДП) – продольная вертикальная плоскость, проходящая по середине ширины судна;

• плоскость мидель-шпангоута () – вертикальная поперечная плоскость перпендикулярная (ДП) и проходящая по середине длины судна;

• основная плоскость (ОП) – горизонтальная плоскость, проходящая по верхней кромке горизонтального киля, перпендикулярная (ДП) и (), и параллельная поверхности воды (если судно не имеет крена и дифферента).

Рис. 1.1 Координатные плоскости и оси

Сечение диаметральнойплоскости (ДП), (рис. 1.1) дает представление о форме форштевня, ахтерштевня, палубной и килевой линии. Подъём палубы к носу и корме называется седловатостью и выполняется с целью уменьшения попадания воды на палубу при встречном и попутном волнении.

Сечение плоскости мидель–шпангоута (), (рис. 1.1) дает представление о погиби палубы, килеватости днища, форме скулы, наклоне бортов (развал, прямой борт, завал борта). Подъём палубы от бортов к ДП называется погибью бимса и выполняется с целью улучшения стока воды к бортам и удаления её за борт.

Ось (Х) образуется пересечением диаметральной плоскости (ДП) с основной плоскостью (ОП) и направлена с кормы в нос судна.

Ось (Y) образуется пересечением основной плоскости (ОП) с плоскостью мидель-шпангоута () и направлена с левого борта на правый.

Ось (Z) образуется пересечением плоскости мидель-шпангоута () с диаметральной плоскостью (ДП) и направлена вверх.

Таким образом, получается левосторонняя система координат, связанная с судном.

Полное представление о форме судна дает теоретический чертеж (рис. 1.2), на котором графически для стальных судов изображается внутренняя поверхность наружной обшивки корпуса (без учета ее толщины), а для деревянных – наружная поверхность корпуса.

Рис. 1.2 Теоретический чертёж судна

Теоретический чертеж является основным проектным чертежом судна. Он служит для расчета мореходных качеств судна – плавучести, остойчивости, непотопляемости; для разработки общих проектных документов на постройку судна, а также для определения размеров помещений и расстояний до отверстий в корпусе судна.

Теоретический чертеж содержит вычерченные в масштабе линии сечений поверхности корпуса плоскостями, параллельными главным плоскостям судна.

В качестве главных плоскостей проекций теоретического чертежа принимают: диаметральную плоскость (ДП), основную плоскость (ОП) и плоскость мидель-шпангоута ().

Линии пересечения судовой поверхности плоскостями, параллельными диаметральной плоскости (ДП), называются батоксами. Линии пересечения поверхности судна плоскостями, параллельными основной плоскости (ОП), называются ватерлиниями. Линии пересечения поверхности судна плоскостями, параллельными плоскости мидель-шпангоута (), называются теоретическими шпангоутами.

Проекция всех этих линий на диаметральную (вертикальную) плоскость (ДП) называется «БОК». Батоксы на этой проекции изображаются без искажений, а ватерлинии и шпангоуты видны в виде прямых линий. Проекция линий пересечения на горизонтальную (основную) плоскость (ОП) называется «ПОЛУШИРОТОЙ». Ватерлинии на этой проекции изображаются без искажений, а батоксы и шпангоуты в виде прямых линий. Так как ватерлинии симметричны (при симметричной форме судна), то они на полушироте изображаются только по одну сторону от (ДП). На полушироте также изображается линия пересечения палубы и борта. Проекция всех линий пересечения на плоскость мидель-шпангоута () называется «КОРПУС». На корпусе с правой стороны от (ДП) изображают проекцию носовых шпангоутов, а с левой стороны – кормовых. Проекции ватерлиний и батоксов изображаются в виде прямых линий. Прямые линии образуют сетку теоретического чертежа. Нос судна на теоретическом чертеже изображают справа.

Форму подводной части корпуса судна характеризуют коэффициенты полноты.

Коэффициент полноты конструктивной ватерлинии (), () – отношение площади конструктивной ватерлинии () к площади прямоугольника, построенного на главных размерениях судна

, (1.1)

где – площадь конструктивной ватерлинии, м²;

–длина судна конструктивной ватерлинии, м;

–ширина судна на мидель шпангоуте, м.

Коэффициент полноты мидель-шпангоута (), () – отношение погруженной площади мидель-шпангоута () к площади прямоугольника со сторонами

, (1.2)

где – площадь мидель-шпангоута, м²;

–конструктивная осадка судна, м.

Коэффициент полноты водоизмещения (общей полноты) (), () – отношение объемного водоизмещения () подводной части судна к объему параллелепипеда, построенного на его главных размерениях

, (1.3)

где – объемное водоизмещение, м³.

Коэффициент вертикальной полноты () – отношение объемного водоизмещения () подводной части судна к объему цилиндра, имеющему основанием площадь конструктивной ватерлинии (), с высотой равной конструктивной осадке судна ()

. (1.4)

Коэффициент продольной полноты (), () – отношение объемного водоизмещения () подводной части судна к объему цилиндра, имеющему основанием площадь мидель-шпангоута (), с высотой равной длине судна (L)

(1.5)

1.2 Силы, действующие на судно. Условие равновесия

Плавучестью называется способность судна поддерживать вертикальное равновесие относительно поверхности воды при заданной нагрузке (количестве грузов).

На плавающее, на поверхности воды судно действуют две системы противоположно направленных сил: силы тяжести судна () и Архимедовы силы () или силы поддержания. Равенство этих сил обеспечивает равновесие судна на поверхности воды, если они находятся на одной вертикали (рис. 1.3).

Рис. 1.3 Условия равновесия судна

1.3 Посадка судна и параметры ее определяющие

Положение судна относительно поверхности воды называется посадкой судна. Всевозможные случаи положения судна можно отнести к одному из следующих четырех типичных случаев, для задания которых используются различные параметры:

1. Судно сидит прямо и на ровный киль (рис. 1.4). Судно сидит прямо – это значит отсутствует крен, т.е. диаметральная плоскость судна вертикальна. Судно сидит на ровный киль – это значит отсутствует дифферент, т.е. плоскость миделя вертикальна. В этом случае для определения посадки достаточно задать один параметр: осадку судна .

2. Судно сидит на ровный киль, но с креном (рис. 1.5). В этом случае посадка определяется заданием двух параметров: осадки и угла крена , а плоскость миделя остается вертикальной.

3. Судно сидит прямо, но с дифферентом (рис. 1.6).

В этом случае посадка определяется также двумя параметрами, причем используются различные величины: осадки носом и кормой , измеренные соответственно на носовом и кормовом перпендикулярах, осадка на миделе

, (1.6)

дифферент судна, определяемый разностью осадок носом и кормой

, (1.7)

или угол дифферента, представляющий собой угол между следом ватерлинии на диаметральной плоскости и осью Ох

,откуда . (1.8)

Рис. 1.4 Посадка судна прямо и на ровный киль

Рис. 1.5 Посадка судна на ровный киль с креном

Рис. 1.6 Посадка судна прямо с дифферентом.

Из перечисленных величин любые два независимых параметра могут быть выбраны для задания посадки.

4. Судно сидит с креном и дифферентом. Это общий случай посадки и для ее задания необходимы три параметра. Если углы крена и дифферента малы, то используется два каких-либо параметра, задающих дифферент и угол крена. В случае больших углов наклонения в качестве параметров используются погружение оси Оz и углы и между осями Ох и Оу со следами ватерлинии на диаметральной плоскости и плоскости миделя (рис. 1.7).

Рис. 1.7 Параметры, задающие посадку в общем случае

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ № 2. ГРУЗОВОЙ РАЗМЕР И ГРУЗОВАЯ ШКАЛА. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВОДОИЗМЕЩЕНИЯ ПО ГРУЗОВОЙ ШКАЛЕ. ПОПРАВКИ К ВОДОИЗМЕЩЕНИЮ, ОПРЕДЕЛЯЕМЫЕ ПО ГРУЗОВОЙ ШКАЛЕ. МАСШТАБ БОНЖАНА. ДИАГРАММЫ ДЛЯ РАСЧЕТА ПОСАДКИ СУДНА

2.1 Грузовой размер и грузовая шкала. Определение водоизмещения по грузовой шкале

Грузовым размером называется кривая, дающая зависимость массового водоизмещения от осадкисудна. Она получается умножением ординат кривой объемного водоизмещения на плотность забортной воды и строится обычно для= 1,025 т/м³.

Кривые и, так же как и величиныи, рассчитываются по теоретическому чертежу при проектировании судна и изображаются в виде кривых элементов теоретического чертежа в функции осадки(рис.2.1).

Рис. 2.1 Кривые элементов теоретического чертежа

Эти кривые позволяют находить значения величин при любой осадке. Если известно водоизмещение, то сначала по кривым илиопределяют осадку, а затем по ней – все нужные величины. Если плотность водыотлична от стандартной= 1,025 т/м³, для которой строится грузовой размер, то пользуются кривой , предварительно вычисляя объемное водоизмещение по выражению

. (2.1)

Вместо кривых элементов теоретического чертежа, величины ,,и, в функции от осадки, могут быть представлены гидростатической таблицей (табл. 2.1).

Таблица 2.1 – Гидростатическая таблица

Т, м	D, т	V, м ^3	Хс, м	Zс, м	S, м ^2	Хf, м
0,50	235	229	1,23	0,250	685,5	1,05
1,00	478	466	1,37	0,506	713,9	1,16
1,50						
2,00						
2,50						
3,00	2197	2144	1,00	1,540	885,6	0,80

В судовых условиях для определения водоизмещения по заданной осадке и решения обратной задачи нахождения осадки, если известно водоизмещение, пользуются грузовой шкалой, на которой по вертикали нанесены равномерная шкала осадок и неравномерная шкала водоизмещений.

Вообще, нет единой формы представления грузовой шкалы и на судах можно встретить различные ее варианты. Один из видов современной грузовой шкалы приведен на (рис. 2.2).

Для водоизмещения проводится несколько шкал, соответствующих различным плотностям забортной воды, и точки, соответствующие одним и тем же значениям водоизмещения, соединяются наклонными прямыми, по которым интерполируется водоизмещение для любой плотности.

Кроме шкал водоизмещения проводятся шкалы дедвейта, получающиеся смещением на величину водоизмещения судна порожнем. Кроме указанных наносятся также шкалы – числа тонн, изменяющих осадку на 1 см, и– момента, дифферентующего судно на 1 см.

Грузовая шкала строится для посадки судна на ровный киль и в предположении абсолютной жесткости корпуса, в то время как судно может иметь дифферент, а корпус – деформироваться. Эти причины и вызывают необходимость введения поправок на дифферент и изгиб корпуса.

Рис. 2.2 Грузовая шкала

2.2 Поправки к водоизмещению, определяемому по грузовой шкале

Когда требуется определить водоизмещение с возможно большей точностью, например, при определении массы принимаемого или снимаемого груза по изменению водоизмещения, к его величине, снятой с грузовой шкалы, вводятся поправки.

При дифференте судна осадки на перпендикулярах не совпадают с осадками, прочитываемыми на марках углубления, кроме того, смещается сечение шпангоута, по осадке которого водоизмещение при дифференте и на ровный киль одинаково. Все это приводит к поправке на дифферент к водоизмещению, найденному по грузовой шкале для средней осадки, определенной по маркам углубления (рис. 2.3):

Рис. 2.3 Определение осадок по маркам углубления

, (2.3)

где – число тонн на 1 см, снимаемое с грузовой шкалы при средней осадке;

и – расстояния от марок углубления, до носового и кормового перпендикуляров соответственно;

–абсцисса центра тяжести площади ватерлинии;

и – моменты, дифферентующие судно на 1 см, снимаемые с грузовой шкалы при осадках носом и кормой соответственно;

–дифферент, определенный по маркам углубления;

–длина судна между перпендикулярами.

Дополнительная поправка на изгиб корпуса приближенно определяется выражением

, (2.4)

где – стрелка прогиба корпуса в сантиметрах

, (2.5)

а определяется по миделевым маркам углубления как средняя осадка по отсчетам правого и левого борта.

На некоторых грузовых шкалах дается шкала водоизмещения только для стандартной плотности = 1,025 т/м³. В этом случае вводится еще поправка на фактическую плотность забортной воды

, (2.6)

где – весовое водоизмещение, снимаемое с грузовой шкалы при средней осадке.

Окончательное значение весового водоизмещения найдется как сумма

, (2.7)

Все поправки суммируются со своими знаками и последняя из них учитывается, только если определено не для фактической, а для стандартной плотности или для пресной воды.

2.3 Масштаб Бонжана

В случае посадки судна прямос большим дифферентом, когда положение судна зависит уже от двух параметров, тогда элементы плавучести необходимо находить по масштабу Бонжана (рис. 2.4).

Рис. 2.4 Масштаб Бонжана

Масштаб Бонжана представляет собой диаграмму, на которой изображены кривые зависимости погруженных площадей шпангоутов от их осадки. Для каждого теоретического шпангоута такая кривая строится от вертикали, являющейся следом плоскости этого шпангоута на диаметральную плоскость (ДП). Для сокращения размеров чертежа масштаб по длине выбирается меньшим, чем по высоте, так что диаметральная линия изображается на нем в искаженном виде.

Масштаб Бонжана позволяет вычислять весовое водоизмещение и координаты центра величины (ЦВ), при посадке судна с любым дифферентом. При использовании масштаба Бонжана по заданным осадкам носоми кормойпроводят прямую, изображающую след ватерлинии на (ДП). Точки пересечения этой прямой с вертикалями определяют погружение каждого из шпангоутов.

Измеряя по горизонтали на уровне этих точек ординаты соответствующих кривых, как показано на (рис. 2.4), получают с учетом масштаба погруженные площади шпангоутов. Найденные площади являются значениями ординат строевой по шпангоутам для пробитой ватерлинии и позволяют найти объемное водоизмещение и абсциссу (ЦВ). Необходимые расчеты удобно вести в следующей табличной форме (табл. 2.2).

Таблица 2.2. – Расчет объемного водоизмещения и абсциссы (ЦВ) по масштабу Бонжана

№№ шпангоутов от миделя, m	Погруженные площади шпангоутов		Произведения m (нm-кm)
	носовые нm	кормовые кm
0	0		0
1	н1	к1	1·(н1 – к1)
2	н2	к2	2·(н2 – к2)
			
9	н9	к9	9·(н9 – к9)
10	н10	к10	10·(н10 – к10)
Суммы	1		2
Поправки	1 = ½ (н10 + к10)		2 = 5·(н10 – к10)
Исправленные суммы	1 испр=1 – 1		2 испр=2 – 2

где ₁ – сумма площадей всех шпангоутов;

₂ – алгебраическая сумма произведений.

По исправленным суммам находим:

объемное водоизмещение , (2.8)

абсциссу (ЦВ) . (2.9)

где – расстояние между теоретическими шпангоутами.

Масштаб Бонжана также позволяет определять и аппликату (ЦВ) , однако этим не пользуются ввиду сложности расчетов, требующих определять площади, ограниченные кривыми масштаба Бонжана, для каждого шпангоута.

В зависимости от характера обводов в оконечностях на масштабе Бонжана могут изображаться кривые приведенных площадей, учитывающие также условные площади выступающих частей. В таких случаях для расчетов пользуются приведенными площадями, которые могут быть отрицательными.

Если при расчетах желательно учесть деформацию корпуса судна, то след ватерлинии на (ДП) вычерчивается в виде кривой упругой линии по известной стрелке прогиба и измеряют погруженные площади шпангоутов по эту линию.

2.4 Диаграммы для расчета посадки судна

Диаграмма дифферентов (рис. 2.5) представляет собой наложенные друг на друга две системы координат: прямоугольную с осями и , определяющую нагрузку судна, и ее размещение, и криволинейную с линиями и , определяющую посадку судна.

Рис. 2.5 Диаграмма осадок носом и кормой

Рассмотрим решение некоторых практических задач с помощью диаграммы дифферентов.

1. По составленному грузовому плану рассчитана нагрузка судна: водоизмещение и статический момент водоизмещения относительно миделя . Определить посадку судна. Откладывая по вертикальной оси диаграммы водоизмещение, а по горизонтальной – момент, находим точку, изображающую нагрузку судна. Пользуясь сеткой кривых и , по найденной точке, при необходимости интерполируя между кривыми, прочитываем осадки носом и кормой для рассчитанного состояния нагрузки. Обратная задача (по заданной посадке и определить водоизмещение и момент ) решается в обратном порядке: по и определяем точку на диаграмме, по которой прочитываем и .

2. Определить посадку судна после приема груза массой с абсциссой центра тяжести . Точку, изображающую первоначальную нагрузку или соответствующую первоначальную посадку, смещаем по вертикали вверх на величину и по горизонтали на величину момента вправо, если она положительна, или влево, если она отрицательна. По полученной новой точке прочитываем новую посадку по кривым и .

3. Перенос груза по длине судна. Судно имеет посадку, определяемую осадками и , т.е. с дифферентом на корму. Определить, сколько балласта надо перекатать из ахтерпика в форпик, чтобы посадить судно на ровный киль. Расстояние, измеряемое между их центрами тяжести, составляет . По осадкам и находим на диаграмме соответствующую точку. Так как при перекачке балласта водоизмещение судна меняться не будет, то эта точка будет перемещаться только по горизонтали и ее надо переместить до линии нулевого дифферента. Прочитав для этой точки момент , а также момент для первоначальной точки, найдем момент , который надо создать перемещением балласта, откуда и определим массу балласта

. (2.10)

4. Определить массу и абсциссу центра тяжести принятого груза, если до его приема осадки были и , а после приема стали и . По осадкам находим водоизмещение и момент до приема груза и и после приема, откуда определяем массу груза и абсциссу его центра тяжести

. (2.11)

Как уже было указано, задачи по диаграмме дифферентов решаются на основе равенства абсцисс ЦТ и ЦВ судна. В случае посадки судна с большим дифферентом может потребоваться уточнение результата путем исправления момента по выражению: , в котором дифферент находится из предварительного определения посадки для водоизмещения и момента .

Диаграмма дифферентов строится для стандартной плотности воды

= 1,025 т/м³. Если плотность забортной воды другая, то пользоваться диаграммой следует по приведенным данным

. (2.12)

В этом случае снятые с диаграммы по осадкам и значения водоизмещения и момента будут приведенными, а их действительные значения найдутся по выражениям

. (2.13)

Здесь и – значения снятые с диаграммы по осадкам и ;

–плотность заборной воды;

–плотность, воды, для которой построена диаграмма.

Другая форма диаграммы осадок носом и кормой представлена на (рис. 2.6).

Рис. 2.6 Диаграмма осадок носом и кормой в форме Фирсова

Здесь осадки и отложены по вертикальной и горизонтальной осям, а на поле диаграммы нанесены кривые постоянных значений водоизмещения и абсциссы центра величины . Пользуясь опять приближенным условием равновесия , по определенным после расчета таблицы нагрузки значениям и , находим и , по точке пересечения кривых и , соответствующих найденным значениям, определяем осадки и . По этой диаграмме можно решать те же задачи, что и по диаграмме (рис.2.5). Так, после приема груза массой с абсциссой Ц.Т. будем иметь и по значениям и находим точку на диаграмме (рис.2.6), по которой прочитываем новую посадку и .

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ № 3. ИЗМЕНЕНИЕ СРЕДНЕЙ ОСАДКИ ПРИ ПРИЕМЕ И СНЯТИИ ГРУЗА. УСЛОВИЕ ПАРАЛЛЕЛЬНОГО ПОГРУЖЕНИЯ. ИЗМЕНЕНИЕ ОСАДКИ СУДНА ПРИ ПЕРЕХОДЕ В ВОДУ ДРУГОЙ ПЛОТНОСТИ

3.1 Изменение средней осадки при приеме и снятии груза. Условие параллельного погружения

Если на судно принимается груз массой , то очевидно, что его осадка увеличивается настолько, чтобы дополнительно вошедший в воду объем вытеснил такую же массу воды.

Рассмотрим сначала прием малого груза. Под малым будем понимать груз, вызывающий такое изменение осадки, в пределах которого борта судна можно считать прямостенными и площадь ватерлинии постоянной (рис.3.1).

Рис. 3.1 Изменение осадки и приращений координат центра тяжести и центра величины судна, при приеме малого груза.

а) – поперечный разрез судна;б) – продольный разрез судна.

На практике считается, что условие прямостенности при приеме малого груза для транспортных судов выполняется, если масса груза не превосходит 10 % от весового водоизмещения судна.

В таком случае вошедший в воду добавочный слой объемного водоизмещения будет представлять собой вертикальный цилиндр с площадью основания, равной площади ватерлинии , и высотой, равной изменению осадки . Объем этого цилиндра , а дополнительная масса воды, вытесненной судном, будет . Приравнивая ее массе принятого груза, получим

, (3.1)

откуда найдем изменение осадки

. (3.2)

Равенство (3.1) позволяет найти массу груза , прием которого изменяет осадку судна на 1 см. Полагая м, получим

. (3.3)

Эта величина называется числом тонн на сантиметр осадки. Поскольку зависит от осадки, величина также является функцией осадки и ее значения приводятся на грузовой шкале судна. Зная , изменение осадки от приема груза массы можно найти по выражению

. (3.4)

Величиной пользуются при малых изменениях осадки, при которых пользование основной грузовой шкалой приводит к значительной относительной погрешности.

Если прием груза происходит в произвольном месте, то, вообще, судно изменит не только осадку, но и получит наклонение. Найдем условие, при котором прием груза вызовет только параллельное погружение судна. После приема груза к уравновешенным силам веса и плавучести добавятся еще две силы: вес принятого груза и добавочная сила плавучести. При малом добавочном объеме, образованном вертикальным погружением судна, центр тяжести (ЦТ) его находится на вертикали, проходящей через (ЦТ) площади ватерлинии, определяемый абсциссой . Следовательно, чтобы добавочные силы не создавали пары, наклоняющей судно, (ЦТ) принимаемого груза также должен находиться на этой вертикали. Таким образом, чтобы при приеме малого груза судно не получило наклонений, необходимо груз принимать на одной вертикали с (ЦТ) площади ватерлинии.

В случае приема большого груза изменение осадки может быть определено либо по кривым элементам теоретического чертежа, либо по грузовой шкале, как разность между осадками, соответствующими водоизмещениям после приема груза и до приема. Условие параллельного погружения судна при приеме большого груза состоит также в приеме груза на одну вертикаль с (ЦТ) добавочного слоя водоизмещения, где его положение определяется абсциссой

, (3.4)

где и относятся к водоизмещению после приема груза, а и – до приема.

Если принимается несколько грузов, то следует рассматривать прием одного эквивалентного груза суммарной массы с общим (ЦТ) всех грузов. Полученные формулы справедливы и для случая снятия или расходования груза, при этом только массу следует считать отрицательной величиной и, следовательно, также будет отрицательным.

3.2 Изменение осадки судна при переходе в воду другой плотности

При переходе судна в воду иной плотности, которая зависит от солености и температуры, изменяется его осадка. При изменении плотности меняется также сила поддержания . Практически изменение плотности воды не превышает 3 %.

Весовое водоизмещение судна при этом не меняется, и можно записать

, (3.5)

где и– исходная плотность и соответствующее объемное водоизмещение;

и – новая плотность и соответствующее объемное водоизмещение.

Из сравнения этих выражений получаем

. (3.6)

Согласно этой формуле получаем

. (3.7)

Так как изменение водоизмещение мало, можно считать судно прямостенным в пределах изменения осадки, т. е. . После подстановки этого выражения в формулу (3.7) получим

, (3.8)

где – площадь ватерлинии.

Если учесть, что объемное водоизмещение судна представляет собой , а площадь ватерлинии,

где , – коэффициент полноты водоизмещения (общей полноты);

–длина судна между перпендикулярами;

–ширина судна на мидель-шпангоуте;

–осадка судна;

, – коэффициент полноты конструктивной ватерлинии.

Тогда формула (3.8) примет вид

. (3.9)

Очевидно, что при переходе судна в воду с большей плотностью, например, из пресной воды в соленую, оно будет всплывать, и наоборот.

Формулу для изменения осадки при переходе из морской воды в пресную можно представить в другом виде, если использовать выражение (3.3) при подстановке в формулу (3.8) получим

. (3.10)

Принимая и выражая изменение осадки в сантиметрах, получим

, (3.11)

где – число тонн на 1 см осадки, определяется по грузовой шкале.

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ № 4. УСЛОВИЕ ОСТОЙЧИВОСТИ СУДНА. МЕТАЦЕНТРИЧЕСКИЕ ФОРМУЛЫ ОСТОЙЧИВОСТИ. РАСЧЕТ МЕТАЦЕНТРИЧЕСКИХ ВЫСОТ ПО ЗАДАННОМУ ГРУЗОВОМУ ПЛАНУ

4.1 Условие остойчивости судна

Остойчивостью называется способность судна сопротивляться воздействию внешнего кренящего момента и возвращаться в исходное положение равновесия после прекращения действия момента, вызвавшего наклонение под действием восстанавливающего момента .

Понятие остойчивости связывается с действием на судно только моментов (пар сил) и, следовательно, равнообъемными наклонениями – наклонениями, при которых не меняется объем подводной части судна, а только его форма.

Если кренящий момент, приложенный к судну, возрастает постепенно и не вызывает угловых ускорений, а следовательно сил инерции, то при рассмотрении равновесия судна можно пользоваться условиями статического равновесия. Остойчивость при таких наклонениях называется статической.

Остойчивость судна при мгновенно приложенном кренящем моменте называется динамической.

В зависимости от того, какие наклонения рассматриваются, различают поперечную и продольную остойчивость.

В зависимости от величины угла крена поперечную остойчивость разделяют на остойчивость при малых углах наклонения () или начальную остойчивость, и остойчивость на больших углах крена.

При наклонении судна изменяется положение центра подводного объема судна (центра величины наклоненного судна), следовательно, равнодействующая сил поддержания будет приложена в точке . Для оценки остойчивости судна введено понятие метацентрической высоты , которая представляет возвышение метацентра (точка «») над центром тяжести (точка «») и может быть положительным или отрицательным. Если равнодействующие сил тяжести и поддержания образуют момент стремящийся увеличить угол крена судна – то судно не остойчиво , (рис.4.1).

Если возникает момент , стремящийся вернуть судно в исходное прямое положение, то судно остойчиво , (рис. 4.2).

Момент называется восстанавливающим моментом и равен он произведению одной из сил пары на плечо

(4.1)

где – сила тяжести, т;

–весовое водоизмещение, т;

–плотность забортной воды, т/м³;

–объемное водоизмещение, т;

–сила поддержания, т;

–плечо статического угла крена, м.

Рис. 4.1– Неостойчивое судно

Рис. 4.2Остойчивое судно

4.2 Метацентрические формулы остойчивости

Для оценки остойчивости судна при наклонениях в поперечном или продольном направлении, достаточно определить его поперечную и продольнуюметацентрические высоты.

Поперечная и продольнаяметацентрическая высота зависит от формы корпуса судна, соотношения его главных размерений, состояния нагрузки, наличия жидких и перемещающихся грузов, расположения центра величины (ЦВ) и центра тяжести (ЦТ), а также метацентров и(рис. 4.3 и рис. 4.4).

Рис. 4.3 Расчет поперечной метацентрической высоты

Рис. 4.4 Расчет продольной метацентрической высоты

Поперечную и продольнуюметацентрическую высоту можно определить по следующим формулам

(4.2)

(4.3)

где – аппликата поперечного и продольного метацентра, определяются по кривым элементам теоретического чертежа или гидростатической таблице, для данной осадки ;

–аппликата центра тяжести судна, вычисляется при составлении грузового плана, для данной осадки ;

–аппликата центра величины судна, определяется по кривым элементам теоретического чертежа или гидростатической таблице, для данной осадки ;

–поперечный и продольный метацентрические радиусы, определяются по кривым элементам теоретического чертежа или гидростатической таблице, для данной осадки .

4.3 Расчет метацентрических высот по заданному грузовому плану

В соответствии с Правилами Регистра и Кодексом ИМО для обеспечения остойчивости судна в эксплуатации на каждое судно должна выдаваться одобренная классификационным обществом Информация об остойчивости, целью которой является помочь капитану и контролирующим организациям в поддержании достаточной остойчивости судна во время эксплуатации. Однако формальное соблюдение указаний Информации не освобождает капитана от ответственности за остойчивость судна.

Информация об остойчивости состоит из следующих разделов:

- Общие сведения о судне, включая главные размерения, даты постройки, установленные ограничения по району плавания и волнению, осадка по летнюю и лесную летнюю маркам; данные опыта кренования (водоизмещение и координаты центра тяжести судна порожнем), а также данные по коэффициенту для определения периода бортовой качки.

- Указания капитану содержащие перечень нормативных документов, на основании которых разработана информация, а также методики по выполнению требований нормативных документов; перечень критериев остойчивости применимых к судну с указанием лимитирующих критериев; перечень отверстий, которые должны быть закрыты во время плавания судна; указания о наибольших допустимых аппликатах (ЦТ) судна; допускаемые нагрузки на палубы и люковые крышки, сведения о поправках на влияние свободных поверхностей жидких грузов и о порядке расходования их.

- Если судно порожнем, вследствие несимметричности расположения оборудования имеет крен и дифферент, то приводятся указания по размещению балласта, запасов или груза для устранения крена и уменьшения дифферента. Должно быть указано, что устранение крена соответствующим размещением навалочного груза недопустимо.

- Порядок приема балласта в рейсе; для компенсации увеличения положения центра тяжести судна по высоте вследствие расходования запасов; указания в отношении погодных условий, при которых допускается производить балластировку, приводятся принципиальные схемы балластировки при перевозке тяжелых грузов на палубе и пояснения к этим схемам, приводятся рекомендации по выбору направления и скорости движения судна по отношению к волнению, указание о допустимой скорости при маневрировании по условию крена на циркуляции для судов с грузом контейнеров на палубе.

- Типовые случаи нагрузки, содержащие таблицы, показывающие (в типовых случаях загрузки) распределение грузов и запасов по грузовым помещениям и цистернам с указанием массы, координат центра тяжести и соответствующих моментов, а также с указанием цистерн, по которым приняты поправки на влияние свободных поверхностей.

Случаи нагрузки должны содержать: судно порожнем, судно при доковании, случаи нагрузки требуемые Правилами и другие случаи, показывающие практические границы эксплуатации судна, в соответствии с его назначением, случаи балластировки для обеспечения остойчивости.

Сводная таблица типовых случаев нагрузки содержащая данные: водоизмещение, посадка судна, координаты центра тяжести судна, начальная метацентрическая высота и поправка к ней, допустимое возвышение Центра тяжести судна, значения нормируемых параметров остойчивости (критерий погоды, параметры диаграммы статической остойчивости, угле крена на циркуляции, от скопления пассажиров у борта и др.).

- Оценка остойчивости для нетиповых случаев нагрузки.

Если на судне имеется компьютер и программы для оценки остойчивости они должны быть одобрены классификационным обществом.

Несмотря на наличие компьютера должны быть приведены все необходимые документы и методики для самостоятельного выполнения расчетов по определению всех параметров посадки и остойчивости.

Для судов требующих контроля прочности Информация должна содержать соответствующие диаграммы или таблицы и пояснения.

Если судно приспособлено для перевозки зерна, то в Информацию включаются данные и диаграммы, облегающие контроль остойчивости по Правилам перевозки зерна.

4.4 Составление грузового плана (расчет нагрузки судна)

Исходные данные для расчета нагрузки судна, т.е. массы судна, и координат его центра тяжести содержатся в грузовом плане судна, в котором приводится распределение перевозимых грузов и судовых запасов по грузовым помещениям и цистернам с указанием массы в каждом из них. Масса и координаты ЦТ судна порожнем указаны в судовом документе «Информация об остойчивости судна». Там же приводится форма таблицы, рекомендуемой для расчета нагрузки судна (табл. 4.1.).

Таблица 4.1 – Расчет нагрузки (перевозимый груз)

№№ п/п	Статьи нагрузки	Масса m, т	по длине		по высоте
			x, м	m·x, тм	z, м	m·z, тм
1	2	3	4	5	6	7
1	Груз в трюме № 1	m1	x1	m1·x1	z1	m1·z1
2	Груз в твиндеке № 1	m2	x2	m2·x2	z2	m2·z2
3	Груз в трюме № 2	m3	x3	m3·x3	z3	m3·z3
…	…	…	…	…	…	…
	СУММЫ	m=mi		Mx=mixi		Mz=mizi

Ввиду того, что расчет нагрузки требуется производить для случаев как в полном грузу, так и при израсходованных запасах (обычно с 10% запасов), соответствующих началу и концу рейса, целесообразно составлять таблицы нагрузки отдельно для судовых запасов, расходуемых в рейсе, и для перевозимого груза, а затем составить сводные таблицы для разных состояний нагрузки судна.

В столбце 2 (таблицы 4.1) перечисляются все принятые к перевозке грузы, в столбцах 3, 4 и 6 – соответственно их массы и координаты центров тяжести по длине от миделя и по высоте от основной плоскости. В столбцах 5 и 7 вычисляются статические моменты масс относительно тех же координатных плоскостей. Грузы, расположенные в нос от миделя, имеют положительные и , расположенные в корму от миделя – отрицательные. Если в одно грузовое помещение принимается несколько различных грузов, то каждый из них заносится в таблицу нагрузки отдельной строкой.

Моменты масс по ширине судна, как правило, не рассчитываются, так как грузы укладываются симметрично относительно диаметральной плоскости и для них . Во всяком случае, суммарный момент от несимметрично принятых грузов должен быть достаточно малым, чтобы не было заметного угла крена, который недопустим при нормальной эксплуатации.

Таблицы нагрузки, содержащие судовые расходуемые запасы, и сводная таблица имеют ту же форму, что и (табл. 4.1), но составляются в двух вариантах – на начало и конец рейса, а в некоторых случаях и для промежуточного состояния нагрузки. После суммирования сводной таблицы по столбцам 3, 5 и 7 искомые величины для каждого состояния нагрузки определяются по формулам:

водоизмещение судна ;

абсцисса (ЦТ) судна , (4.4)

аппликата (ЦТ) судна ,

где – число статей нагрузки, составляющих дедвейт судна.

Если водоизмещение судна порожнем и его статические моменты и вносятся в качестве первой строки в (табл. 4.1), то первые слагаемые в формулах (4.4) вошедшие в итоговые суммы и выражения (4.4) примут вид:

. (4.5)

После определения аппликаты (ЦТ) судна, его весового водоизмещения , и соответственно данной осадки ,по кривым элементам теоретического чертежа или гидростатической таблице, для данного случая нагрузки находим искомые величины , для расчета поперечнойи продольнойметацентрических высот по формулам (4.2) и (4.3).

При заполнении таблицы нагрузки вспомогательным средством для определения координат центров тяжести отдельных грузов служит чертеж размещения грузов. Этот чертеж представляет собой схематический продольный разрез судна, вычерченный в большем масштабе по высоте, с изображением всех помещений, предназначенных для перевозимых грузов и судовых запасов (рис. 4.5).

Внизу размещена шкала расстояний от миделя в нос и в корму, а по бокам – вертикальные шкалы расстояний от основной плоскости.

В каждом помещении, предназначенном для перевозки насыпных или генеральных грузов, построена кривая центров тяжести горизонтальных сечений (кривая ), на которой нанесена шкала объемов в зависимости от уровня заполнения, и кривая , которая указывает положения центров тяжести объемов, отмеченных на шкале для этой кривой (см. рис. 4.5.).

Для некоторых серий судов на чертеже размещения грузов отсутствуют кривые . Вместо них на кривых с одной стороны строится шкала объемов, а с другой – шкала возвышения их центров тяжести над основной плоскостью. Такой чертеж изображен на (рис. 4.6) и (рис. 4.7).

При пользовании чертежом размещения грузов следует обратить внимание для какой грузовместимости построены шкалы объемов. Если шкалы объемов построены для генеральных грузов, а перевозится насыпной груз, то, пользуясь шкалой объемов, следует входить в нее по условному (приведенному) объему

, (4.6)

где, коэффициент приведения есть отношение грузовместимостей данного грузового помещения для генеральных грузов и для сыпучих

. (4.7)

Рис. 4.5 Чертеж размещения грузов

В противоположном случае, когда шкалы построены для насыпного груза, а перевозится генеральный груз, коэффициент приведения будет обратным соотношением. На чертеже размещения грузов всегда указывается, для какой грузовместимости построены шкалы объемов, а также либо коэффициенты приведения, либо вместимости для насыпных и генеральных грузов всех грузовых помещений.

Рис. 4.6 Чертеж размещения генерального груза в трюме

Рис. 4.7 Чертеж размещения насыпного груза в трюме

Рассмотрим примеры пользования чертежом размещения грузов.

1. В трюм принимается генеральный груз массой с удельным погрузочным объемом . Определяем объем, занимаемый грузом в трюме: . Если шкалы объемов построены для генеральных грузов, то по объему на шкале находим положение центра тяжести груза и определяем координаты и . Если шкалы объемов построены для сыпучих грузов, то определяем приведенный объем и по нему определяем и центра тяжести.

2. Поверх груза объемом с аппликатой принят груз объемом с другим удельным погрузочным объемом. Требуется найти аппликату (ЦТ) верхнего груза и аппликату (ЦТ) всего груза. По шкале определяем аппликату (ЦТ) суммарного объема , после чего найдем

. (4.8)

Аппликата (ЦТ) всего груза будет

, (4.9)

где и – массы нижнего и верхнего грузов.

Аналогично вычисляется аппликата (ЦТ) нескольких грузов, расположенных равномерными слоями на разной высоте. При этом, если слой груза имеет малую высоту, то (ЦТ) этого груза можно принимать расположенным на середине высоты слоя.

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ № 5. ИЗМЕНЕНИЕ ОСТОЙЧИВОСТИ И ПОСАДКИ СУДНА ПРИ ПРИЕМЕ, СНЯТИИ И ПЕРЕНОСЕ ГРУЗА

Во время эксплуатации транспортных судов его экипажу все время приходится выполнять следующие операции:

• пополнение, расходование и перемещение судовых запасов;

• погрузка, выгрузка и перемещение грузов;

• прием, откачка и перемещение балласта с целью придания судну необходимой остойчивости и посадки.

Все эти операции можно рассматривать,как общий случай переноса груза в виде трех последовательных перемещений вдоль координатных осей, связанных с судном:

• вертикальное перемещение груза;

• горизонтально-поперечное перемещение груза;

• горизонтально-продольное перемещение груза.

Эти три перемещения груза для упрощения расчетов можно рассматривать отдельно друг от друга.

5.1 Вертикальное перемещение

Перенесем груз весом по вертикали из точкив точку, как это показано на (рис. 5.1).

Рис. 5.1 – Вертикальный перенос груза

Так как водоизмещение остается постоянным, то центр величины и метацентр не меняют своего положения. Также неизменными останутся горизонтальные координатыицентра тяжести судна, поскольку перенос происходит перпендикулярно этим осям. Изменится лишь координата.

Для того чтобы найти перемещение центра тяжести судна, заметим, что статический момент его массы относительно основной плоскости изменится на величину, откуда получим

. (5.1)

Очевидно, что на такую же величину изменятся и метацентрические высоты

. (5.2)