4. 6. Прочность корпуса судна

6.1. Общие понятия о прочности корпуса

С точки зрения строительной механики корпус судна представляет собой составную балку переменного по длине сечения, уравновешивающую на себе действующие на нее силы. Корпус судна должен обладать достаточной общей продольной и поперечной прочностью, а отдельные его части должны безопасно выдерживать действующие на них местные усилия.

Силы, действующие на корпус на тихой воде, состоят из сил веса самого корпуса, механизмов, устройств, всех грузов и запасов, находящихся на судне, а также гидростатических давлений забортной воды. При плавании в море на волнении дополнительно действуют силы инерции всех масс при качке и гидродинамические силы волнения.

Если через обозначить интенсивность нагрузки в сечении от всех действующих сил, то перерезывающая сила в сечении с абсциссой найдется по выражению:

, (6.1)

а изгибающий момент – по выражению:

. (6.2)

6.2. Схема расчета прочности на тихой воде

Практически расчет общей прочности состоит в следующем: строят кривую сил веса (рис.6.1 а) считая, что на протяжении каждой из 20-ти теоретических шпаций интенсивность сил веса постоянна, так что кривая веса имеет ступенчатый характер и площадь прямоугольника на каждой шпации дает вес всего, что находится на судне в пределах этой шпации.

Кривая сил поддержания задается строевой по шпангоутам, но эта зависимость также заменяется ступенчатой кривой, равновеликой по площади строевой на каждой шпации (рис.6.1 б).

Р

Рисунок 6. 1. Эпюры сил веса (а), сил плавучести (б), нагрузки (в), перерезывающих сил (г) и изгибающих моментов (д)

азность кривой сил веса и сил поддержания дает кривую нагрузки (рис.6.1 в). Далее, как известно из курса сопротивления материалов и согласно формуле (6.1), интегральная кривая от нагрузки дает кривую перерезывающих сил (рис.6.1 г), а следующая интегральная кривая дает кривую изгибающих моментов (рис.6.1 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.6.2 приведен пример изменения указанных величин для различных положений судна на волне. Напряжения от изгиба найдутся делением изгибающего момента на момент сопротивления сечения корпуса, 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.6.3). Такой расчет называется расчетом элементов эквивалентного бруса, т.е. бруса, по прочности эквивалентного сечению корпуса судна.

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.

К

Рисунок 6. 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

роме 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.