Условия размещения и площадки для размещения статей смотрите здесь
Глава 2. Прочность корпуса
2.3. Расчеты местной прочности
Сталь в малом судостроении используется в основном для постройки
таких судов, некоторое увеличите массы которых допустимо по условиям
эксплуатации. Малые суда, как правило, проектируются с значительным
первоначальным запасом прочности, который зависит от желаемой
долговечности судна и требований к его надежности. Именно эти требования
для большинства малых судов являются главными, более важными, чем
требования к снижению массы корпуса. Сказанное отнюдь не означает, что
при проектировании малых судов не следует стремиться к максимально
возможному снижению массы корпуса. Со снижением массы связано не только
улучшение эксплуатационных качеств судна, но и снижение его строительной
стоимости. Поэтому на актуальный вопрос должен решаться на высоком
научно-техническом уровне с использованием расчетного аппарата и опыта
проектировщиков и конструкторов.
Расчеты местной и общей прочности судовых корпусов вообще и особенно
корпусов малых судов носят весьма условный характер. Это происходит в
связи с невозможностью точной количественной оценки нагрузок,
необходимостью принципа упрощений в расчетных схемах, сложным и
недостаточно изученным влиянием конструктивно-технологических факторов
на напряженное состояние элементов конструкции корпуса, затруднениями
при выборе запасов прочности и т. п.
Относительно более точные данные можно получить при расчете прочности
судов, на которые имеются проверенные опытом методики расчета,
предусматривающие определенную согласованную систему расчета внешних
сил, напряжений и деформаций и проверку прочности и жесткости.
Упомянутые методики имеются, например, для водоизмещающих и глиссирующих
катеров. Использование этих методик для расчета прочности парусных яхт
может привести к значительным ошибкам, потому что яхты существенно
отличаются от катеров формой корпуса, характером действующих па них
внешних сил (на корпус передаются аэродинамические силы от парусного
вооружения, яхты плавают с креном и т. п.). Разнотипность малых судов
затрудняет принятие единой методики расчета их прочности.
Очевидно, что неуверенность конструктора в достоверности расчетов должна
компенсироваться принятием несколько больших запасов прочности. Это
необходимо для того, чтобы гарантировать корпус проектируемого судна от
повреждений и разрушений в нормальных условиях эксплуатации.
Здесь приводятся лишь наиболее часто используемые в практике
проектирования корпусов простейшие методы расчета, которые могут быть
использованы как для выбора прочных размеров связей корпуса, так и для
проверки прочности спроектированного корпуса. В случае необходимости
выполнения более точных расчетов следует руководствоваться
ведомственными руководящими техническими материалами, правилами,
методиками, нормами по расчету прочности судовых корпусов и специальной
литературой.
Величины расчетных нагрузок при расчете местной прочности малых судов
должны выбираться с учетом условий эксплуатации и рекомендаций,
приведенных в вышеупомянутых документах. Расчетные нагрузки па палубу
обычно принимаются следующими:
Средняя часть и корма .0,5 м вод. ст.
Надстройки и рубки.... . . 0,3
Носовая часть........ . . 0,5-1,
Расчетная нагрузка на борта и днище для водоизмещающих судов принимается
распределенной по трапеции, на уровне палубы равной расчетной нагрузке
на палубу, а на уровне основной плоскости-столбу воды высотой, которая
равна высоте борта в расчетном сечении.
Для каждой рассчитываемой связи борта или днища нагрузка характеризуется
интенсивностью расчетной нагрузки на уровне связи.
Для судов с более тяжелыми условиями эксплуатации расчетную нагрузку для
связей борта и днища можно найти по формуле Лр = Ai Д, где fti -
расстояние от рассчитываемой связи до палубы; Д- расчетная нагрузка на
палубу.
При качке судов, движущихся по взволнованному морю, их оконечности могут
выходить из воды и при последующем погружении в воду претерпевать удар,
следствием которого может быть остаточная деформация днищевых связей в
районе удара. Такие удары особенно опасны для судов с глиссирующим или
переходным режимом движения, движущихся с дифферентом на корму. Характер
воздействия па днищевую часть судна удара о волну зависит от угла между
водной поверхностью н плоскостью днища. Если этот угол лежит в пределах
от -2 до +2°, то удар считается плоским. При плоском ударе между днищем
и водной поверхностью образуется воздушная прослойка. При двух значениях
угла днище считается килсватым. Определяющим фактором для напряженности
конструкции при ударе килсватого днища о воду является динамическое
воздействие перемещающегося по мере погружения фронта давлений, который
в рассматриваемый момент времени находится на границе смоченной
поверхности Плоский удар опаснее, чем удар килеватого днища.
Определение районов днища, подверженных ударам о волну, а также
вычисление напряжений и проверка условий прочности днищевых конструкций
в районе ударов могут быть произведены по отраслевому стандарту ОСТ
5.1004-70 <Методика расчета прочности плоских и килеватых днищевых
конструкций при ударах о волну катеров, малых кораблей и судов>, а также
руководящему техническому материалу РС-675- 66 <Расчет прочности
конструкций корпусов спасательных шлюпок, катеров и судов, выполненных
из стеклопластика> (1971 г.).
Для набора и обшивки днища малых глиссирующих катеров принимаются
нагрузки в зависимости от длины судна и его скорости {табл 13). Эти
нагрузки значительно превышают нагрузки на днище судов с водоизмещающим
режимом движения.
Таблица 13 Допускаемые нагрузки для набора и обшивки днища
малых глиссирующих катеров, кгс/см*
Прочность водонепроницаемых переборок рассчитывают в предположении,
что уровень воды при затоплении отсека доходит до верхней кромки
переборки у борта.
Расчет местной прочности наружной обшивки, палубного настила и обшивки
переборок сводится к определению наибольших напряжений в пластинах и
сравнению их с допускаемыми напряжениями.
Расчет пластин зависит от степени их жесткости. В судовом корпусе
встречаются либо абсолютно жесткие пластины, при изгибе которых цепные
напряжения пренебрежимо малы по сравнению с напряжениями изгиба, либо
пластины конечной жесткости, при расчете которых учитываются как цепные
напряжения, так и изгибные. Цепными напряжениями называются равномерно
распределенные по толщине пластины (кромки которой закреплены на
опорном контуре), напряжения, появляющиеся при значительном прогибе
пластины под действием поперечной нагрузки. Изгибные напряжения
изменяются по толщине пластины по линейному закону, они равны нулю в
срединной плоскости и достигают экстремальных значений у поверхности
пластины.
Рис. 9. Расчетная схема пластины.
Прочность пластин любых перекрытий на гидростатический напор должна
рассчитываться в предположении жесткой заделки пластин па опорном
контуре. Оно основано на том, что рассчитываемая пластина граничит с
такими же по геометрическим размерам пластинами, одинаково загруженными
с рассчитываемой, вследствие чего угол поворота кромок пластин на
опорном контуре будет равен нулю, а это равноценно жесткой заделке
кромок. Очевидно, что некоторой несимметричностью в конструкции и
нагрузке смежных пластин можно пренебречь. В случае, если расчет пластин
ведется на местные нагрузки, которые могут действовать на одну пластину,
оставляя соседние пластины незагруженными, эта пластина должна
рассчитываться как свободно опертая на опорном контуре, однако расчетные
нагрузки такого типа принимаются редко.
При соотношении сторон опорного контура пластин больше 2,5-3,0 пластины
можно рассматривать как гнущиеся по цилиндрической поверхности. Если
отношение меньшей стороны пластины к ее толщине не превышает 50-60, то
ее следует рассчитывать как абсолютно жесткую.
Существуют различные методы расчета пластин: по расчетным формулам и
таблицам, с помощью рекомендуемого отраслевого стандарта РС-1007-69
"Номограммы для расчетов прочности и устойчивости обшивки и набора
корпусных конструкций металлических катеров малых кораблей и судов", по
диаграммам В. А. Никитина и т. п.
Большая часть судовых -пластин имеет прямоугольную форму или близкую к
ней. Кромки большинства жестких пластин вследствие симметрии конструкции
считаются жестко заделанными на опорном контуре (рис. 9) .
Таблица 15 Значения функции для расчета пластин конечной
жесткости
В случае, если аргумент и, определенный для жестко заделанной
пластины, будет меньше 0,5, то пластину следует считать абсолютно
жесткой. При расчете свободно опертых пластин (коэффициент опорной пары
к=0) наибольшие суммарные напряжения будут сконцентрированы в середине
пластины, тогда в формулу для определения наибольших суммарных
напряжений подставляется функция Хо("), а при расчете жестко заделанных
пластин (х = 1) следует подставлять в формулу при вычислении напряжений
в середине пластины функцию Xi("). а при вычислении напряжений у
опорного контура - Хг(<), взятые из табл. 15. Пластины конечной
жесткости тоже необходимо рассчитывать как жестко заделанные на опорах.
Если при этом суммарные напряжения в опорном ссченни превысят предел
текучести стали, то рассчитывают прочность той же пластины как свободно
опертой, а в качестве расчетных напряжений принимают
среднеарифметическое значение суммарных напряжений по середине пролета
для случаев х = 1 и к = 0.
Большая часть малых судов имеет поперечную систему набора, при которой
балки главного направления днища, борта и палубы образуют шпангоутные
рамы. Эти рамы являются статически неопределимыми, и для раскрытия их
статической неопределимости необходимо найти моменты в узлах соединения
балок и в районе опор, т. е. в районе установки поддерживающих
перекрестных балок. Для расчета моментов составляются уравнения трех
моментов путем приравнивания углов поворота по обе стороны от каждого
узла (опоры) рамы.
Рис 10. Схема сил, действующих па шпангоутную
раму: а - нагрузка, б- изгибающих моментов.
Пролеты балок, составляющих шпангоутную раму, принимаются равными
расстояниям между точками пересечения нейтральных осей балок (по хорде).
Нижние концы шпангоутов для упрощения расчетов можно считать жестко
заделанными на флорах. Схема действующих на шпангоутную раму сил и эпюры
изгибающих моментов для стержней рамы показаны на рис. 10.
При расчете днищевых перекрытий флоры можно считать свободно опертыми на
бортах.
Продольные перекрестные балки обычно рассматривают жестко заделанными на
поперечных переборках, но в отдельных случаях, когда длины смежных
пролетов или величины приходящихся на них местных нагрузок существенно
отличаются друг от друга, может потребоваться вычисление опорных
моментов этих балок путем составления и решения уравнений трех моментов.
То же относится и к расчету перекрестных продольных палубных и бортовых
балок. Если перекрестная продольная балка заканчивается на поперечной
переборке, то ее конец следует считать свободно опертым.
При поперечной системе набора палуб бимсы, как правило, должны
рассчитываться в составе шпангоутной рамы. В районе больших вырезов
полубимсы можно рассматривать как свободно опертые на карлингсы
(комингсы) балки.
При наличии усиленных концевых бимсов последние вместе с карлингсами
рассчитываются как система пересекающихся балок. Методика этого расчета
приведена в [42] и других книгах по строительной механике корабля.
Рамные бимсы при поперечной системе набора можно считать свободно
опертыми на бортах, а при продольной системе набора необходимо учесть
заделку концов рамных бимсов на рамных шпангоутах.
Переборки малых судов чаще всего подкрепляются стойками, либо
выполняются из гофрированных листов с вертикально расположенными
гофрами. Если концы стоек срезаны <на ус>, то их следует рассматривать
как свободно опертые балки, загруженные нагрузкой, распределенной по
треугольнику или по трапеции. Аналогично рассчитываются гофры.
Если переборка подкрепляется горизонтальными ребрами, концы которых
срезаны <на ус>, или горизонтально расположенными гофрами, то их
рассчитывают как свободно опертые балки, загруженные равномерно
распределенной нагрузкой, величина которой равна произведению
интенсивностей расчетной нагрузки на высоте ребра на полусумму
расстояний между ребрами, соседними с рассчитываемыми, и на пролет
балки.
При подкреплении переборок дополнительно рамными балками (шельфом,
доковой стойкой) последние, при достаточно большой их жесткости, можно
расценивать как промежуточные опоры балок главного направления.
Продольные ребра жесткости днища, бортов и палубы при продольной системе
набора являются балками, жестко заделанными на шпангоутных рамах и
переборках. При проверке прочности за опасные нормальные напряжения
принимаются Оо = От, а за опасные касательные напряжения то = О,57о0.
Основным документом, определяющим величины допускаемых напряжений,
являются Нормы прочности [31]. Учитывая, что расчетные нагрузки для
малых судов несколько отличаются от нагрузок, с которыми согласованы
Нормы прочности, а также учитывая практику расчетов местной прочности
малых судов в конструкторских бюро, можно принимать следующие
допускаемые напряжения в долях от предела текучести стали:
Наружная обшивка (в опорных сечениях пластин - . 0,9
