Глава 7 прочность корпуса судна

7.1. Силы и моменты, действующие на корпус судна. Понятие общей и местной прочности

С точки зрения строительной механики корпус судна представляет собой пустотелую коробчатую балку переменного по длине сечения, образованную бортами, днищем и верхней палубой, и подкрепленную поперечными и продольными переборками, платформами и палубами, лежащую на упругом основании, и уравновешивающую на себе действующие на нее нагрузки.

Нагрузками для корпуса судна являются силы тяжести корпуса, оборудования, устройств, запасов, грузов и снабжения, силы гидростатического давления воды, инерционные силы при качке, удары волн о корпус и т.д.

Постоянные силы, действующие на судно, в целом, взаимно уравновешиваются (силы тяжести и силы поддержания), но они распределены неодинаково по длине судна. Поэтому в пределах каждого ограниченного участка длины преобладают те или иные силы. Из-за этого возникает деформирующая корпус судна нагрузка, приводящая к появлению перерезывающих сил (стремящихся сместить одну часть корпуса относительно другой) и изгибающих моментов, стремящихся переломить корпус судна (рис.7.1).

Поэтому корпус деформируется как балка, получая прогиб или перегиб.

Прочностью называется способность судна воспринимать действующие нагрузки без разрушений и остаточных деформаций.

Прочность балки-корпуса называется общей прочностью и нормируется Правилами Регистра судоходства.

Под местной прочностью понимают прочность отдельных частей корпуса: днищевых и палубных перекрытий, переборок и платформ, крышек грузовых люков и других конструкций. Местная прочность также должна быть обеспечена, ее нарушение может привести к аварийным последствиям — нарушению непроницаемости корпуса, смещению грузов и другим опасным ситуациям. Прочность отдельных конструкций корпуса судна регламентируется Правилами Регистра судоходства.

В судовой документации оговариваются предельные допустимые нагрузки на отдельные конструкции в виде наибольших нагрузок на 1 м² площади днищевых и палубных перекрытий, люковых крышек и т. д. Контроль местной прочности состоит в недопущении перегрузок конструкций по сравнению с установленными для них предельными значениями.

Корпус судна должен обладать достаточной общей продольной и поперечной прочностью, а отдельные его части должны безопасно выдерживать действующие на них местные усилия. 

Контроль за обеспечением общей и местной прочности судна в рейсе ведут капитан и его помощники

Практически расчет общей прочности состоит в следующем: строят ступенчатую кривую сил веса (рис.7.1 а) считая, что на протяжении каждой из 20-ти теоретических шпаций интенсивность сил веса постоянна, поэтому кривая веса имеет ступенчатый характер и площадь прямоугольника на каждой шпации дает вес всего, что находится на судне в пределах этой шпации.

Рис.7.1. Эпюры сил веса (а), сил плавучести (б), нагрузки (в), перерезывающих сил (г) и изгибающих моментов (д)

Кривая сил поддержания задается строевой по шпангоутам, но эта зависимость также заменяется ступенчатой кривой, равновеликой по площади строевой на каждой шпации (рис.7.1 б).

Разность кривой сил веса и сил поддержания дает кривую нагрузки (рис.7.1.в). Далее, как известно из курса сопротивления материалов, интегральная кривая от нагрузки дает кривую перерезывающих сил (рис.7.1. г), а следующая интегральная кривая дает кривую изгибающих моментов (рис.7.1.д) Эта кривая дает величину и положение наибольшего изгибающего момента, действующего на корпус при рассматриваемом состоянии нагрузки. При плавании на волнении в зависимости от положения судна на волне изменяется кривая сил поддержания, а значит, изменяются и кривые перерезывающих сил и изгибающих моментов. В качестве иллюстрации (на рис.7.2) приведен пример изменения указанных величин для различных положений судна на волне.

Рис. 7.2. Изгибающие моменты и перерезывающие силы при различных положениях судна относительно волны:

а) — последовательность положений судна; б) — вес; в) — силы поддержания; г) — перерезывающие силы; д) — изгибающие моменты

Напряжения от изгиба найдутся делением изгибающего моментана момент сопротивления сечения корпусаW, который рассчитывается с включением в сечение всех продольных связей корпуса, участвующих в общем изгибе, т.е. связей, простирающихся по всей длине судна или на значительной ее части (рис.7.3)

(7.1)

Такой расчет называется расчетом элементов эквивалентного бруса, т.е. бруса, по прочности эквивалентного сечению корпуса судна, но представляющий собой балку без гибких связей (стержней, пластин, обшивки и т.п.)

Зная изгибающий момент и рассчитав момент сопротивления сечения, можно найти напряжения в наиболее нагруженных связях и, наоборот, исходя из допустимых напряжений, можно найти наибольший изгибающий момент, допустимый из условия прочности корпуса.

Если из допустимого момента вычесть изгибающие моменты от всех дополнительных сил, происходящих от плавания на волнении, а также от сил поддержания и веса судна порожнем, получим допустимый изгибающий момент от сил дедвейта, который судоводитель может регулировать, меняя распределение дедвейта по помещениям. На этом основана диаграмма контроля общей прочности, входящая в судовую документацию.

Рис.7.3. Расчетное сечение и эквивалентный брус

Кроме рассмотренных изгибающих моментов в вертикальной продольной плоскости, при плавании косым курсом на волнении появляются изгибающий момент в горизонтальной плоскости и крутящий момент в вертикальных поперечных плоскостях. Эти моменты достигают наибольшей величины при курсовом угле волнения около 60° и длине волны, равной длине судна. Дополнительный крутящий момент появляется при несимметричной загрузке относительно ДП на различных участках по длине судна. Такие моменты особенно опасны для судов с большим раскрытием палубы, в частности для контейнеровозов. Учет напряжений, вызванных горизонтальным изгибающим и крутящим моментами, заложен в той части Правил, которые относятся к судам указанных типов и требуемая прочность корпуса для типовых случаев загрузки обеспечивается при проектировании, а в процессе эксплуатации контролируется расчетами по специальной программе на судовом компьютере.

При отсутствии необходимых данных изгибающий момент на миделе может быть проконтролирован по приближенным формулам.