Условия размещения и площадки для размещения статей смотрите здесь
Глава 2. Прочность корпуса
2.1 Силы, действующие на корпус, общее понятия о прочности
Одним из главных требований, предъявляемых к корпусу малого судна и
его отдельным конструкциям, является требование достаточной прочности -
способности выдерживать действующие в процессе эксплуатации нагрузки без
разрушений и недопустимых деформаций.
Конструктор, проектирующий корпус, должен отчетливо представлять, какие
нагрузки в процессе постройки, эксплуатации и ремонта действуют на судно
и характер напряженного состояния связей корпуса, особенно при
одновременном действии ряда эксплуатационных нагрузок. Из всего
многообразия действующих сил он должен уметь отобрать главные, наиболее
опасные, отбросив маловероятные аварийные ситуации, уметь упростить
схему действия сил для расчетов прочности.
Любые расчеты прочности, в частности расчеты прочности судового корпуса,
сводятся к решению трех основных проблем: проблемы внешних сил или
нагрузок, проблемы внутренних сил (напряжений) и деформаций конструкций,
проблемы запасов прочности, т. е. назначения допускаемых напряжений
(деформаций).
Рассмотрим классификацию действующих на корпус сил.
Силы, действующие на корпус, по характеру изменения можно подразделить
на неизменные, статически переменные и динамически переменные.
К неизменным относятся силы тяжести корпуса, механизмов, экипажа,
снабжения и других грузов, составляющих водоизмещение, силы давлении
воды при плавании судна на тихой воде и другие силы, не меняющие своей
величины и направления в течение длительного времени, Статически
переменными считаются силы, период изменения которых или время
нарастания до наибольшего значения в несколько раз превышает период
собственных колебаний конструкции. К ним следует отнести силы давления
воды при плавании судна на волнении; силы тяжести перемещаемых судовых
грузов; силы, действующие на корпус судна при подъеме его на берег или
на борт крупнотоннажного судна, а также при спуске на воду, силы инерции
при качке и др.
Динамически переменными принято называть силы, период изменения которых
или время нарастания до наибольшего значения близки к периоду
собственных колебаний судна или меньше его. Это силы ударов волн, ударов
судна о плавающие в воде льдины, бревна и другие предметы, силы,
возникающие при столкновении с другим судном, при навале на причал,
посадке с хода на мель, при падении судна в воду или при рывке на гаке
во время спуска на воду краном или на шлюпбалках, при прыжке человека на
палубу малого судна и т. п.
Действия многих из перечисленных сил специфичны для малых судов.
Например, маловероятно соударение судна большого водоизмещения с другими
плавающими предметами, масса которых одного порядка с массой судна, а
большая часть малых судов такие нагрузки должна выдерживать. Нагрузки,
возникающие при посадке на мель большого судна, относят к аварийным, в
то время как посадка на мель малых судов, особенно речных, вполне
закономерное в эксплуатации явление. Малые суда в процессе постройки
должны выдерживать нагрузки, возникающие при перекантовке и
перемещениях, а прочность больших судов па такне нагрузки не
рассчитывается и т. п.
Динамически приложенные силы более опасны, чем статически приложенные,
что учитывается в расчетах прочности.
Особой категорией динамических сил являются периодические силы большой
частоты, вызывающие вибрацию корпуса. Если частота возмущающих сил равна
частоте собственных упругих колебаний корпуса или его части,
воспринимающей действие этих сил, то возникает явление резонанса, при
котором амплитуда упругих колебаний корпусных конструкций увеличивается
до опасных пределов. При близком значении частот возмущающей силы и
собственных колебаний конструкции наблюдается биение в отдельных узлах
судовых конструкций. Резонанс и биение могут привести к появлению трещин
в связях корпуса и другим его повреждениям. Кроме того, вибрация плохо
влияет на работу приборов и самочувствие людей.
Общая вибрация может быть вызвана периодическими силами, возникающими
вследствие ударов волн о носовую оконечность при ходе судна навстречу
бегу волн (явление слеминга). Вибрация может быть вызвана силами инерции
возвратно-поступательно движущихся масс при работе машин. Последние, как
и пульсирующие давления на обшивку при вращении гребных винтов, вызывают
местную вибрацию корпусных конструкций, расположенных в районе действия
этих сил.
Вибрационная прочность обеспечивается изменением жесткости корпусных
конструкций (чаще увеличением) в результате изменения размеров или
количества несущих связей. Изменение жесткости приводит к увеличению
разницы значений частоты собственных колебаний корпусных конструкций и
частоты возмущающей силы, в результате чего вибрация резко снижается.
Силы, действующие на корпус, принято также делить на постоянно
действующие и случайные. К случайным относятся силы, возникающие в
аварийной ситуации: аварийное давление воды на переборку, нагрузка на
днище при посадке на мель, па вал на причал при неумелой швартовке,
столкновение с погруженными в воду бревнами-топляками, падение груза на
палубу и т. п. Прочность корпуса рассчитывается не на все случайные
силы, а лишь на те, вероятность действия которых при эксплуатации судна
относительно велика, а повреждения, которые они могут вызвать, опасны.
Запасы прочности при расчете на случайные силы берутся меньшими, чем при
расчете на постоянные силы, т. е. в ряде случаев сознательно допускается
возможность пластических деформаций элементов конструкций, с тем чтобы
не увеличивать массу корпуса.
Днище, борта, палуба и другие конструкции при действии на них различных
эксплуатационных нагрузок не должны иметь повреждений или недопустимо
больших деформаций, т. е. они должны обладать достаточной местной
прочностью. Местная прочность зависит от прочностных характеристик
принятого материала корпуса, системы набора и надлежащего выбора
размеров несущих связей корпуса: толщины листов, сечений балок набора,
расстояний между ними и т. п.
При плавании судна на тихой воде силы тяжести и силы поддержания в целом
для судна уравновешиваются, но на отдельных участках длины такого
равновесия, как правило нет. Алгебраическая сумма сил тяжести и сил
поддержания на отдельных участках длины является поперечной нагрузкой,
вызывающей искривление условной продольной оси судна, т. е. его общий
продольный изгиб.
При плавании на волнении происходит изменение распределения сил
поддержания по длине судна вследствие перемещения волн относительно
судна. При неблагоприятном положении судна относительно волны его изгиб
может стать опасным. Однако для большинства малых судов изгиб на волне
менее опасен, чем изгиб при подъеме краном или вытаскивании судна на
берег на катках. В момент, когда судно находится на двух катках или двух
стропах, расположенных в оконечностях, его масса уравновешивается двумя
реакциями, а в момент, когда судно находится на одном катке или
поднимается одним стропом, расположенным в средней части, масса
уравновешивается одной реакцией.
Общая продольная прочность обеспечивается палубным настилом, продольными
палубными балками, днищевой обшивкой, днищевыми стрингерами и другими
продольными связями.
Для судов большой длины (L ^ 100 м) толщина обшивки, палубного настила и
размеры многих балок набора, определенные из условия обеспечения
продольной прочности, вполне достаточны для обеспечения местной
прочности. На подавляющем большинстве малых судов напротив- размеры
обшивки и балок набора, принятые достаточными для обеспечения местной
прочности, обеспечивают общую продольную прочность с большим запасом.
Однако существуют малые суда, для которых общий изгиб опасен. К ним
относятся беспалубные судна, суда с большим отношением длины к высоте
борта, а также суда с особо неблагоприятным распределением сил тяжести и
сил поддержания по длине
Ввиду сложности процесса воздействия на корпус сил, обусловленных
волнением, в расчетах прочности принимаются некоторые упрощенные схемы
действия сил, сводящиеся чаще всего к условной статически действующей
равномерной нагрузке. называемой расчетной нагрузкой.
При действии динамически переменных нагрузок, частным случаем которых
являются ударные нагрузки, определяется закон их изменения во времени с
целью последующего вычисления коэффициента динамичности по отношению к
рассматриваемой конструкции. За расчетную нагрузку принимается
действующая нагрузка, умноженная на полученный для данной конструкции
коэффициент динамичности. В этом случае расчетная нагрузка
рассматривается как статическая.
Одной из причин снижения прочности и работоспособности корпусных
конструкций является недостаточно высокое качество их изготовления [7].
В частности, на их прочность и работоспособность влияют следующие
факторы.
сварочные напряжения и деформации (остаточные в период постройки и
начальные - в эксплуатации);
неизбежное несовпадение плоскостей балок набора, разностенность обшивки
и другие дефекты, приводящие к нарушению плавности силового потока в
связях и к концентрации напряжений;
структурные изменения в металле, возникающие при резке, гибке, сварке и
правке деталей корпуса;
дефекты, являющиеся следствием недостаточно квалифицированного труда
рабочих и ИТР и применения неисправного оборудования, инструмента,
приспособлений и оснастки или некондиционных материалов (с подрезами,
непроварами, пористостью сварных швов и т. п.). Этот фактор характерен
для малых судов, значительная часть которых строится па предприятиях
различных ведомств, которые не могут обеспечить такое высокое качество
постройки судов, какое обеспечивают передовые судостроительные заводы.
Прочность корпуса в целом и отдельных его элементов рассчитывают на
стадии проектирования судна Традиционным способом обеспечения
проектируемому судну необходимого стандарта прочности служит выбор всех
элементов корпусной конструкции по Правилам классификационных обществ.
Расчеты прочности, выполняемые с использованием аппарата строительной
механики корабля, в этом случае носят проверочный характер.
В случае отсутствия правил проектирования корпуса используется принцип
<расчетного проектирования>, при котором конструкцию рассчитывают в
несколько приближений. Коррективы в каждом приближении вносят на
основании анализа расчетов общей и местной прочности конструкции.
Большинство малых судов создается на базе расчетного проектирования.
Прежде чем перейти к изложению расчетов прочности необходимо рассмотреть
основы классификации корпусных конструкций.
