Внешние силы, действующие на судно. Силы, действующие на корпус судна Силы действующие на судна на тихой воде

При движении с некоторой скоростью V судно испытывает силу
сопротивления окружающей среды R (воды и воздуха), направленную в
сторону, противоположную его движению.
Гидродинамические силы, приложенные к элементам поверхности корпуса движущегося судна, можно разложить на две составляющие: касательную и нормальную.
Касательную составляющую называют силой трения, а нормальную - силой давления. На рисунке сила трения τ и сила давления Р действуют на выделенный элемент смоченной поверхности судна. Проецируя все элементарные силы трения на направление скорости
движения судна и суммируя их по всей смоченной поверхности, получим результирующую сил трения - сопротивление трения RТР, обусловленное действием сил вязкости.
Результирующая проекции сил давления на направление скорости движения
судна V, взятая по всей смоченной поверхности, определяет сопротивление давления RД, которое обуславливается плотностью и вязкостью воды.
Давления по поверхности судна распределяются неравномерно: в носовой
части они больше, в кормовой - меньше. Такой перепад давлений образует
сопротивление давления, которое в свою очередь разделяют на две части.
Первая часть - сопротивление формы RФ, вызванная влиянием вязкости жидкости, вторая -волновое сопротивление RB зависит от интенсивности волновых движений жидкости, вызванных движущимся судном.
Каждое судно имеет те или иные выступающие части (рули, кронштейны и
выкружки гребных валов, скуловые кили и т.п.). Сопротивление воды,
вызываемое ими, называют сопротивлением выступающих частей RВ.Ч.. Кроме того, судно испытывает воздушное сопротивление RВОЗ, распределенное по надводной поверхности движущегося судна.
Таким образом, полное сопротивление движению судна суммируется из следуюших составляющих:

R = RТР + RB + RФ+ RВ.Ч. + RВОЗ (1)

Для определения каждой составляющей полного сопротивления
применяются различные методы. Сопротивление трения определяется
расчетным путем на основании теории пограничного слоя. Сопротивление
формы и волновое сопротивление, объединенные под общим названием остаточного сопротивления Ro, определяются экспериментальными методами путем испытания моделей судов в опытовых бассейнах.
В практических расчетах полное сопротивление движению судна
вычисляется по формуле:

R = C × (ρπV2 / 2) × (S + SВЧ), (2)

где С - коэффициент полного сопротивления;
S - смоченная поверхность голого корпуса;
SВЧ - смоченная поверхность выступающих частей;
ρ - плотность воды;
V - скорость судна.
По аналогии с формулой (1) коэффициент полного сопротивления может быть представлен в виде суммы коэффициентов:

C = CТР + CB + CФ+ CВ.Ч. + CВОЗ или C = CТР + CО + CВ.Ч. + CВОЗ

где Со - коэффициент остаточного сопротивления.
Следовательно, полное сопротивление судна равно:
R = (CТР + CО + CВ.Ч. + CВОЗ) × (ρπV2 / 2) × (S + SВЧ) (3).

Движущая сила Pe создается и поддерживается судовыми движителями, преобразующими механическую энергию поступательного движения судна.

В процессе работы движитель воздействует на окружающий судно поток, а корпус судна изменяет поток в районе расположения движителя.

Полезная мощность, которую развивает движитель: N=Pvp

Поторебляемая движителем мощность Np=Mw

(М-момент, передаваемый движителю от двигателя, w-угловая скорость вращения гребного винта)

Судовые движители по принципу действия являются гидравлическими или гидрореактивными. В последнее время применяются воздушные движители (суда на воздушной подушке оборудуют воздушными винтами).

Действие основано на отбрасывании в сторону, обратную направлению движения судна, масс окуржающей среды: воды или воздуха. Это осуществляется засчет сообщения массам, перерабатываемым рабочими элементами движителяколичества движения. Реакция отброшенных масс воспринимается деталями движителя. Ее составляющая в направлении движения судна ности назвоние упора движителя. Силы, возникающие на элементах движителей, могут создаваться как за счет сил сопротивления при движении движителя в окружающей среде, так и за счет подъемной силы- по природе аналогичной подъемной силе несущего крыла.

Гребные винты применяются на судах различного типа и назначения, они отличаются простотой конструкции, удовлетворительной эксплуатационной надежностью и относительно высоким КПД. Разновидностями гребного винта являются винты регулируемого шага, соосные винты противоположного вращения,гребные винтытандем.

Крыльчатый движитель обладает специфическими свойствами.

Водометные движители

Существуют другие типы движителей, среди которых можно отметить газоводометные и роторные.

Судовыми движителями называются специальные устройства, которые преобразуют энергию главных двигателей в движущую силу (полезную тягу), необходимую для преодоления сопротивления среды движению судна и обеспечения заданной скорости его движения.
По принципу действия судовые движители являются гидрореактивными, т.к. они создают движущую силу за счет реакции масс воды, отбрасываемых рабочими деталями движителя - лопастями - в сторону, противоположную движению судна. В настоящее время на водном транспорте применяются следующие основные типы судовых движителей: гребной винт, гребное колесо, крыльчатый и водометный движители. Гребной винт служит основным типом движителя
для морских судов. Он состоит из нескольких лопастей, расположенных на ступице на одинаковых угловых расстояниях друг от друга. Число лопастей гребных винтов колеблется от 2 до 6. В целях предотвращения вибраций кормовой оконечности одновинтовых судов, число лопастей гребного винта принимают не менее четырех. Диаметр гребных винтов крупных современных судов достигает 6 - 8 м.
Различают три основных конструктивных типа гребных винтов: цельные винты (цельнолитые), винты со съемными лопастями (сборные) и винты с поворотными лопастями - винты регулируемого шага (В Р Ш). Гребной винт характеризует его шаг. Шагом винта называется расстояние, на которое переместится точка винта за один полный оборот винта при вращении его в абсолютно твердом теле. Гребные винты, в зависимости от того, в какую сторону они вращаются, бывают левого и правого шага. В отличие от лопастей В Ф Ш у винтов регулируемого шага лопасти могут поворачиваться вокруг своей продольной оси и изменять шаг, что обеспечивает возможность использования полной мощности двигателя при оптимальной частоте вращения на любом режиме движения судна. Расчет гребного винта заключается в определении его геометрических характеристик (диаметра, шага, дискового отношения и числа лопастей), обеспечивающих наиболее высокие пропульсивные качества судну в основном режиме его эксплуатации. Так, транспортному судну указанные характеристики должны обеспечить наивысшую скорость, буксирному - наибольшую тягу на гаке при полном использовании мощности главных двигателей.
Преимущества и недостатки В Р Ш по сравнению с обычным винтом: возможность изменять положение лопастей у В Р Ш позволяет изменять силу упора винта не меняя частоты и направления вращения вала с полного переднего хода до нуля, а затем до полного заднего хода. Это позволяет использовать на судне нереверсивный двигатель, который проще в обслуживании и моторесурс которого значительно выше реверсивного. За счет того, что нет необходимости выполнять реверс для изменения силы упора винта, а достаточно только развернуть лопасти винта, что делается дистанционно с мостика, время перехода судна от одного режима движения к
другому значительно сокращается. Это улучшает маневренные качества судна, упрощает эксплуатации двигателя. Но В Р Ш значительно сложнее по конструкции, что уменьшает его надежность и увеличивает стоимость. В Р Ш имеют при том же К П Д больший вес и размеры, чем обычные винты, что усложняет их крепление.

К основным геометрическим элементам и характеристикам, определяющим действие гребного лодочного винта, относятся:
1. Диамерт винта D=2R, представляющий собой диаметр окружности, описываемой самой удаленной от оси винта точкой лопаси. Диаметр лодочного винта определяется площадью гидравлического , или рабочего , сечения движителя.
2. Радиус лодочного винта R=0,5D - расстояние от оси гребного винта до наиболее удаленной точнки, называемой краем лопасти.
3. Геометрический , или конструктивный , шаг винта - H, характеризующий возможное перемещение винта за один оборот при движении бе скольжения. Конструктивный шаг винта определяется шагом винтовых линий, образующих нагнетательную (кормовую) поверхность лопасти гребного лодочного винта, и находится по формуле: H=2πrtgѵ,

где r - радиус рассматриваемого сечения лопасти; tgѵ - тангенс шагового угла на радиусе r.
Различают лодочные винты постоянного шага H = const и переменного H = ϝ(r), у которых шаг вдоль радиуса лопасти изменяется по какому-либо закону.
4. Конструктивное шаговоре отношение H/D - отношение конструктивного шага винта к его диаметру.
5. Дисковое отношение Θ, представляющее отношение суммарной площади всех z лопастей к площади диска, ометаемого винтом, Θ=A/Ad=(2zbcp(D-dc))/(πDD),

6. Приведенный , или относительный , радиус лопасти, представляющий собой отношение радиуса ента давления лопасти R0 к наибольшему радиусу гребного винта R. Обычно принимается, что центр давления, характеризующий точку приложения к лопасти равнодействующей всех сил, совпадает с центром тяжести спрямленной поверхности лопасти.
7. Профиль сечения лопасти , под которым понимается спрямленный на плоскость след сечения лопасти лодочного винта соосным с ним круговым цилиндром на заданном радиусе.

Для характеристики режима работы гребного винта в целом используют понятие поступи. Линейной поступью hp винта называется путь, проходимый винтом в осевом направлении за время одного оборота=vp/hp

Отношение линейной поступи к диаметру винта называется относительной поступью или просто поступью винта. λp=hp /D=Vp/nD

Шаг винта- расстояние, которое проходит винт за один оборот в твоердом теле.

Безразмерные гидродинамические характеристики гребного винта, представленные в виде кривых в функции от относительной поступи, называются кривыми действия. С их помощью можно определить упор, момент, КПД винта при различных режимах работы.

На графике изображается также λ1=H1/D- шаговое отношение нулевого упора или гидродинамическое шаговое отношение.

λ2=H2/D- шаговое отношение нулевого момента.

При λp ›λ2, k2‹ 0, винт работает в режиме турбины, создавая вращающий момент за счет энергии потока.

В диапозоне изменения относительной поступи λ1 ‹ λp‹ λ2 винт не может быть использован ни как движитель, ни как турбина. Рабочей областью гребного винта, как судового движителя является диапозон относительных поступей 0 ‹ λp ‹ λ1, где P› 0

В каждом конкретном случае на расчетных режимах гребной винт должен работать в диапозоне относительных поступей, соответствующих высоким значениям КПД, что обеспечивается надлежащим выбором геометрических характеристик гребных винтов.

Одна из наиболее важных целей модельных гидродинамических испытаний винтов- получить систематизированные экспериментальныематериалы, необходимые для проектирования гребных винтов. Эти материалы получают в результате испытаний определенных серий винтов. При разработке серий моделей стремятся получить систематическое изменение их важнейших конструктивных элементов, существенно влияющихна гидродинамические характеристики винта.

Такими элементами являются: шаговое отношение H/D, дисковое отношение A/Ad, число лопастей Z, относительная толщина лопасти Ω, форма сечений лопасти, ее контур.

Материалы испыьаний представляются на диаграммах, содержащих кривые действия винтов серии, отличющихся только шаговым отношением. На диаграмме изображаются кривые коэффициента упора К1 и КПД в функции относительно поступи.

Каждая серия винтов, отличающихся шаговым отношением, представляется двумя диаграммами: диаграммой, посторенной в осях k1-λp и диаграммой, построенной в осях k2- λp.

Первую диаграмму называют корпусной, она используется, когда исходными для расчета гребного винта служит буксировочное сопротивление корпуса судна, а мощность энергетической установки, необходимая для обеспечения указанной в техническом задании на проектировании скорости судна. Диаграмму, построенную в осях k2- λp, называют машинной. Эта диаграмма используется, когда мощность энергетической установки проектируемого судна задана, а достежимая скорость является искомой величиной.

Простейшей формой задания на проектирование винта, позволяющей однозначно определить геометрические элементы винта в пределах заданной серии, является случай, когда указаны частота вращения n, диаметр винта D, скорость поступательного движения винта Vp, а также требуемый упор или располагаемая мощность на винте Np. Ная эти величины, можно вычислить относительную поступь λp и коэффициент упора k2, определяющие на поле диаграмм единственную точку, которая однозначно определяет шаговое отношение и КПД винта.

При прямолинейном равномерном движении на судно действуют две равные по величине и противоположно направленные силы: сила упора движителей (движущая сила) F Д и сила сопротивления R .

F Д = R; a= 0

При неустановившемся прямолинейном движении к этим двум силам добавляется сила инерции, компенсирующая алгебраическую разность этих сил.

При ускоренном движении судна, когда движущая сила F Д больше силы R , сила инерции выступает в роли сопротивления, а при замедленном движении, когда движущая сила F Д меньше силы сопротивления R , - в роли движущей силы.

F Д > R ; F Д < R; a 0 .

6.1.2. Характеристики сил, действующих на судно при криволинейном движении.

Криволинейное движение судна осуществляется с помощью соответствующей перекладки руля или поворотной накладки. При этом на руле возникает гидродинамическая сила руля Р р (рис. 6.1), которую можно разложить на продольную Р х , направленную параллельно диаметральной плоскости, и боковую (рулевую) Р у – перпендикулярную ей. Первая увеличивает силу сопротивления и тем самым уменьшает скорость движения судна, вторая – вызывает боковое перемещение судна в сторону своего действия и, кроме того, образует момент относительно центра тяжести (ЦТ), который осуществляет первоначальный поворот судна с угловой скоростью ω 1.

М р = Р у L к (6.1)

Р х = Р р · Cosα

Р у = Р р · Sinα

где Р у – составляющая гидродинамической силы руля по оси У;

L к - расстояние (плечо) от ЦТ до точки приложения силы Р р;

α – угол перекладки руля.

Наличие бокового перемещения судна вызывает отклонение его вектора скорости V от ДП на угол дрейфа β (рис.6.1).

Угол дрейфа при криволинейном движении (β) есть угол между ДП судна и вектором линейной скорости его в данной точке криволинейного движения.

Боковое перемещение судна и поворот нарушают симметричность обтекания подводной части корпуса судна, и на нем возникает гидродинамическая сила R Г , направленная под определенным углом к диаметральной плоскости судна. Эту силу можно разложить на две составляющие: боковую R УГ (рис. 6.1) и

продольную R ХГ . Сила R УГ направлена в сторону, обратную силе Р У , и, кроме того, создает вращающий момент относительно центра тяжести судна М Г.

Рис.6.1 Силы, действующей на судно при криволинейном движении.

М Г = R УГ L R (6.2)

R ХГ = R Г · Cosδ

R УГ = R Г · Sinδ

где R УГ – составляющая гидродинамической силы по оси У;

L R – расстояние (плечо) от центра приложения гидродинамических сил (ЦГ) до ЦТ.

δ - угол между ДП и направлением действия гидродинамической силы Р Г.

Момент М Г также осуществляет поворот судна с угловой скоростью ω 2. Моменты М Р и М Г в данном случае совпадают и создают суммарный поворачивающий момент М П, который будет осуществлять поворот судна с угловой скорость ω.

М П является алгебраической суммой моментов М Р и М Г

М П = М Р + М Г (6.3)

Составляющая R Х представляет собой силу, препятствующую движению судна.

По истечении некоторого времени после перекладки руля судно опишет криволинейную траекторию. При этом, как и у любого твердого тела, у него возникнут два ускорения: нормальное а п (центростремительное), направленное к центру кривизны траектории, и касательное а τ , совпадающее с линией вектора скорости V . При этом на судно будут действовать соответствующие силы инерции. Сила инерции I Ц (рис. 6.1), вызванная появлением нормального ускорения, будет пропорциональна этому ускорению и направлена в противоположную сторону. Она носит название центробежной силы инерции. Сила инерции I τ , вызванная касательным ускорением, направлена в сторону, обратную этому ускорению.

Центробежная сила инерции I Ц будет действовать все время, пока судно движется по кривой, а сила I τ – только при изменении скорости движения (на установившейся циркуляции, когда скорость движения постоянна этой силы не будет).

Судно как инженерное сооружение представляет собой сложную систему, в которой размещаются силовые механизмы, грузовые трюмы, жилые и служебные помещения, системы жизнеобеспечения, емкости и помещения для хранения судовых запасов воды, топлива, продуктов питания и т. д. От формы и конструктивных особенностей судна зависят такие важные характеристики его, как прочность, водонепроницаемость, грузоподъемность, непотопляемость.

Эти показатели находятся во взаимосвязи, иногда в противоречивой. Так, недостаточная прочность корпуса судна в условиях эксплуатации может стать причиной водотечности. В то же время увеличение запаса прочности путем увеличения несущих конструкций и толщины обшивки приводит к уменьшению грузоподъемности.

Удовлетворение противоречивых требований приводит к необходимости отыскания оптимального сочетания характеристик судна. Решение этой задачи осуществляется с учетом сил и моментов сил, действующих на корпус судна от веса груза, судовых запасов, собственно корпусных конструкций и давления воды.

Силы, действующие на корпус судна. Характер распределения сил давления воды на корпус показан в масштабе на 1. Эти силы стремятся деформировать корпус судна. Величина их давления на единичную площадку прямо пропорциональна заглублению этой площадки. Так, судно с осадкой 10 м испытывает давление воды на днище примерно 100 кПа. Только одна обшивка не в состоянии противодействовать такому давлению, поэтому для упрочнения корпуса используют специальные силовые конструкции

Поперечная прочность судна обеспечивается рамной конструкцией из флоров, бимсов и шпангоутов. Флоры - элементы, упрочняющие днище. Борта подкрепляются шпангоутами, соединенными с флорами при помощи скуловых книц. Подкрепление палубы, на которой размещаются надстройки и иногда грузы, осуществляется бимсами. Такие конструкции (иногда с неполным набором элементов) размещаются вдоль судна на расстоянии одна от другой 500^-800 мм. Эти расстояния называют шпациями. Поперечную прочность обеспечивают с определенным запасом для уменьшения повреждаемости корпуса при швартовках к причалу, другому судну, а также от ударов волн, льдин и т. п.

Продольная прочность судна (наизлом) зависит от равномерности распределения судовых конструкций и груза по длине судна, а также от характеристик волнения. В идеале отсутствие продольных изгибных деформаций на спокойной воде обеспечивается в том случае, когда сила поддержания F и сила веса Р на любом участке судна ДI по его длине равны (3). При этом силы веса и силы поддержания компенсируют друг друга по всей длине судна и оно не испытывает изгибных моментов. Наихудшим в этом смысле является вариант нагружения судна, когда загружены два крайних трюма, а средние пусты или наоборот (4). Судно в этом случае испытывает большие изгибающие моменты, способные привести к повреждению корпуса даже на спокойной воде.

В условиях эксплуатации из-за неравномерности нагружения могут возникать постоянные напряжения в корпусе, что приводит к необходимости иметь определенный запас продольной прочности.

В условиях волнения судно, оказываясь на вершине волны (5, а), испытывает изгибающие усилия, которые стремятся растянуть палубу и сжать днище. На подошве волны происходит деформация противоположного характера (5, б). Наиболее опасно нахождение судна на волне, длина которой равна длине судна.

Во избежание перелома судна на волне в системе набора предусматриваются продольные ребра жесткости, которые совместно с палубной и днищевой обшивкой, а также бортовой обшивкой обеспечивают продольную прочность судна.

При общем изгибе судна отдельные пояса обшивки нагружены неодинаково. Наиболее нагружены днищевая и палубная обшивки, а также верхние и нижние пояса бортовой обшивки.

Системы набора корпуса. В зависимости от назначения судна применяют три различные системы набора: поперечную, продольную, смешанную (6).

В поперечной системе набора главные балки (неразрезные) идут поперек судна (флоры, шпангоуты, бимсы). Эта система применяется чаще всего при строительстве буксиров, ледоколов и т. п. В продольной системе набора главные балки - продольные, они также делаются неразрезными, а поперечные балки в местах пересечения с главными разрезаются и привариваются к ним. Продольная система набора применяется на танкерах, не имеющих второго дна.

Наружная обшивка й настил палуб. Принципиальная схема наружной обшивки. Наружная обшивка и настил палубь: обеспечивают водонепроницаемость корпуса и вместе с набором - продольную (в большей мере) и поперечную (в меньшей мере) прочность. Наружную обшивку изготовляют из листовой стали толщиной 3-20 мм. Длина,листов 6-8 м, ширина 1,5-2 м. Листы наружной обшивки располагают вдоль корпуса судна. Они образуют пояса (см. 7), носящие специальные названия. Верхний пояс бортовой обшивки называют ширстреком. Вниз от него идут бортовые, скуловые, днищевые, шпунтовые пояса. Между шпунтовыми поясами левого и правого бортов идет пояс, называемый горизонтальным килем. Ширстрек и горизонтальный киль делают утолщенными, так как они несут наибольшую нагрузку. На скулах в средней части судна приваривают боковые кили, которые служат для уменьшения амплитуд бортовой качки. Суда ледового плавания имеют в районе ватерлинии ледовый пояс.

Листы палубного настила укладывают вдоль судна параллельно диаметральной плоскости. Крайний пояс - палубный стрингер - изготовляют по форме борта, чтобы он примыкал к нему вплотную. Палубный стрингер обычно делают утолщенным.

На пассажирских, промысловых и некоторых других судах стальной палубный настил покрывают деревянным настилом из сосновых досок толщиной 50-60 мм, шириной 100 мм. Он предохраняет палубу от преждевременного износа, служит изоляцией для подпалубных помещений, создает более удобные условия для работы людей. С целью обеспечения водонепроницаемости пазы деревянной палубы конопатят смоленой паклей и заливают смолой.

Крайний брус деревянного настила (у борта), называемый ватер- вейсным, примыкает к вертикальной стальной полосе, приваренной к палубному стрингеру. Канал для стока воды между этой полосой и кромкой борта, выступающей выше палубы, называется ватервейсом. Вода из ватервейсов стекает за борт через специальные отверстия - шпигаты.

На открытых частях палубы вдоль борта судна устанавливают ограждение высотой 900-1000 мм в виде фальшборта или леера. Фальшборт изготовляют из листовой стали и подкрепляют специальными стойками. К верхней части его приваривают планширь. Леерное ограждение состоит из металлических стоек, между которыми натянут стальной трос.

Быстрый сток воды с палубы и уменьшение заливаемости обеспечивается поперечной погибью и продольной седловатостью.

Судовые переборки. Для обеспечения непотопляемости судно, как правило, делится специальными переборками на отсеки, что предохраняет его от полного затопления при местных повреждениях корпуса. Переборки упрочняют корпус судна и служат для выгораживания судовых помещений различного назначения.

Переборки, не имеющие дверей, вырезов и горловин, называют водонепроницаемыми. Именно они, подкрепленные, как правило, соответствующими элементами набора, прежде всего обеспечивают непотопляемость. Если между соседними отсеками необходимо иметь сообщение, то двери в переборках делают водонепроницаемыми, закрывающимися специальными замками.

Все силы (нагрузки), действующие на корпус судна, можно разделить на две категории:

-Постоянные , действующие в течение всего периода эксплуатации.

-Случайные , действующие в течение какого-либо промежутка времени или периодически.

По характеру воздействия на корпус постоянные или случайные силы могут быть статическими илидинамическими.

Также на судно действуют нагрузки (во время эксплуатации):

Силы тяжести – Силы (постоянные), действующие на судно всё время. К ним относятся силы тяжести корпуса, механизмов, грузов, запасов.

Силы гидростатического давления (силы поддерживания) – постоянные силы, уравновешивающие силы тяжести, величина сил поддерживания зависит от осадки судна.

Силы сопротивления воды (при движении судна) – постоянные силы, величина которых зависит от скорости и осадки судна.

Инерционные силы – случайные силы, возникновение которых зависит от эксплуатационных условий, например, при качке.

Реакция кильблоков (при постановке судна в док) – случайные силы, величина которых зависит от распределения нагрузки по длине судна в момент докования и количества кильблоков под днищем судна.

Прочие эксплуатационные силы – случайные, преимущественно динамического характера: удары о пирс при швартове, посадка на мель, удары волн о корпус, заливание палубы водой при шторме.

Для противодействия вышеперечисленным нагрузкам и предотвращения остаточных деформаций корпус судна должен обладать общей продольной, поперечной и местной прочностью.

А) Общая продольная прочность:

При плавании судна в спокойной воде на его корпус действуют силы тяжести и силы поддерживания. Эти нагрузки условно приводятся к плоской системе сил, приложенных к вертикальной плоскости, проходящей вдоль судна через середину его ширины. Силы тяжести по длине судна распределены неравномерно, в зависимости от типа судна, расположении МО по длине судна, количества груза в трюмах, количества и распределения судовых запасов, балласта. Распределение сил поддерживания по длине судна пропорционально подводному объёму корпуса, т.е наибольшее гидростатическое давление воды будет действовать по средней части длины корпуса с плавным уменьшением к оконечностям.

Чтобы рассчитать общую продольную прочность корпуса судна, его делят на 20 теоретических отсеков. Посчитывают величину сил тяжести корпуса, механизмов, грузов, оборудования, приходящуюся на каждый теоретический отсек, а затем в принятом масштабе строят кривую сил тяжести. Полученная ступенчатая кривая наглядно показывает величину си тяжести в каждом теоретическом отсеке и характер распределения этих сил по длине судна. Вычисляют также величину сил поддержания, приходящуюся на каждый теоретический отсек и строят её кривую. Эта кривая может быть ступенчатой, что удобней для её сравнения с кривой сил тяжести, или плавной, так как изменение подводного объёма по длине происходит плавно. Кривые строят в одном масштабе, что даёт возможность сложить их. Получается кривая нагрузки. Иногда может иметь место избыток сил поддержания, тогда распределение нагрузки вызовет перегиб судна, при котором в палубевозникнут напряжения растяжения или напряжения сжатия. Если нагрузка на судно будет распределена по-иному, т.е в средней части судна будет избыток сил тяжести, а в конечностях - сил поддержания, то судно будет испытывать прогиб, и напряжения в палубе изменят знак.

Б) Местная прочность:

Местная прочность – способность отдельных районов или мест корпуса выдерживать действующие на них нагрузки. При рассмотрении местной прочности корпус судна разбивают на ряд конструктивных элементов: перекрытия, шпангоутные рамки, баки, пластины.

- Перекрытия – система пересекающихся продольных и поперечных балок набора, соединенных обшивкой и опирающихся на жёсткий опорный контур (борта, переборки, палубы).

Различают перекрытия: днищевые, бортовые, палубные, переборки. Балки, входящие в состав перекрытия, делятся на балки главного направления – часто расставленные балки одного направления, и перекрёстные связи – мощные балки, пересекающие балки главного направления и поддерживающие их.

- Шпангоутная рамка – образуется поперечными балками днища, борта и палубы, лежащими в одной вертикальной поперечной плоскости. Методами строительной механики корабля определяют деформации напряжения в балках и узлах рамки.

- Пластина – это часть обшивки, которая находится между балками и опирается на них. Пластины корпуса непосредственно воспринимаю нагрузку, и передают её балкам судового набора. Определённая часть двух соседних пластин входит в состав балки набора как присоединенный поясок. Таким образом, балка набора состоит из вертикальной стенки, свободного пояска и присоединённого пояска, т.е имеет вид двутавра.

20. Основные элементы корпуса судна : Нос(передняя часть или носовая оконечность), Корма (задняя часть или кормовая оконечность), Днище, Второе дно (на крупных судах), Междудонное пространство (между днищем и настилом второго дна), Борта (правый и левый), Палуба (закрывает корпус сверху), палубы: верхняя – главная, а также вторая, третья и т.п.(счёт палуб идёт сверху вниз) , Твиндек – пространство между палубами, внутри корпус судна разделён поперечными продольными переборками на ряд Отсеков, Форпик – первый носовой отсек, Ахтерпик – последний кормовой отсек, Надстройки и Рубки располагаются на палубе (могут быть одно- и многоярусными) , Бак – носовая надстройка (хранятся концы, танки с топливом и пресной водой, балласт), Ют – кормовая надстройка, Средняя надстройка – располагается между баком и ютом, Элементы судовых устройств располагаются на главной палубе и на палубах бака и юта. Элементы судовых устройств – комплекс конструкций, изделий и механизмов, который обеспечивает нормальную, безопасную эксплуатацию судна. Морские суда обычно имеют рулевое, якорное, швартовное, буксирное, спасательное, мачтовое, грузовое, тентовое и леерное устройства.

21/ 22/ 23- основные системы каркаса корпуса судна :

1. поперечная система набора корпуса: при этой системе балки главного направления во всех перекрытиях (бимсы – в палубных, шпангоуты – в бортовых, флоры – в днищевых расположены поперёк судна. Расстояние между ними определяется по правилам Регистра и в зависимости от длины судна колеблется в пределах 500-800 мм. Поперечная система набора выгодна на ледоколах и судах ледового плавания, т.к. хорошо обеспечивает устойчивость листов днища при поперечном сжатии судна льдами. Преимущества: простота конструкции, лёгкость стыковки секции на стапеле, без большого числа продольных связей легче обеспечить непроницаемость поперечных переборок. Недостаток: большое число гибочных работ.
2. Продольная система набора корпуса судна: при данной системе набора во всех перекрытиях в средней части длины корпуса балки главного направления расположены вдоль судна. Оконечности судна при этом набираются по поперечной системе, т.к. в оконечностях продольная система неэффективна. Применение продольной системы в средней части длины судна позволяет обеспечить высокую продольную прочность. Поэтому данная система применяется на длинных судах, испытывающих действие большого изгибающего момента.Большое число продольных рёбер жёсткости обеспечивает хорошую устойчивость продольных рёбер палубы и днища при продольных сжимающих нагрузках, что позволяет применять листы из высокопрочной низколегированной стали меньшей толщины. В результате увеличивает грузоподъёмность судна. Малое число гибочных работ. Недостатки: установка высокого рамного набора, загромождающего трюмы, большое количество отверстий в поперечном наборе для прохода продольных рёбер жёсткости, сложность стыковки секций на стапеле.
3. Комбинированная система набора корпуса: при диной системе набора палубные и днищевые перекрытия в средней части длины корпуса набираются по продольной системе набора, а бортовые перекрытия в средней части и все перекрытия в оконечностях судна – по поперечной системе набора. Такое комбинирование систем набора перекрытий позволяет более рационально решить вопросы общей продольной и местной прочности корпуса, а также обеспечить хорошую устойчивость листов палубы и днища при их сжатии. Комбинированная система применяется на крупнотоннажных сухогрузных судах и низкобортных танкерах. Применение данной системы приводит к увеличению грузоподъёмности судна, т.к. из-за рационального размещения балок набора в поперечном сечении корпуса можно снизить толщину листового и профильного проката.
4. стр. 45, 46, 47 – рисунки.

Конструкция днища :

1. Днище судна состоит из днищевых перекрытий, которые представляют собой части днища, заключённые между бортами и переборками. В процессе эксплуатации судна днищевые перекрытия испытывают следующие нагрузки: гидростатическое давление воды, равномерно распределённое или сосредоточенное давление груза в трюме, сосредоточенные и вибрационные нагрузки в МО, гидродинамическое воздействие волн в оконечностях судна, усилия от общего продольного изгиба, реакции кильблоков при постановке судна в док, гидростатическое давление испытательного набора.
2. Днищевое перекрытие без второго дна, набранное по поперечной системе набора. Днищевой набор состоит из балок таврового поперечного сечения. Балки имеют вертикальную стенку и горизонтальный поясок. В диаметральной плоскости вдоль всего судна установлен вертикальный киль. Параллельно ему на расстоянии 1100-2200 мм. Расположены днищевые стрингеры. Поперёк судна в каждом шпангоуте установлены сплошные флоры. Во флорах и стрингерах выполняют круглые или овальные вырезы для уменьшения массы перекрытия.Между вырезами на стенки флоров приваривают рёбра жёсткости. В стенках поперечного и продольного набора у днища вырезают голубницы- отверстия для протока воды и прохода выступающих валиков стальных швов. Такое днище используется на небольших сухогрузных судах.
3. днищевое перекрытие без второго дна, набранное по продольной системе набора. Такая конструкция обычно применяется в танка нефтеналивных судов. Характерная особенность – наличие большого количества продольных днищевых рёбер жёсткости. В нижней части продольных рёбер жесткости делают прорези в виде гребёнки, что улучшает условия приварки балок к днищу и обеспечивает сток нефтепродуктов к какому-либо борту. В районе скуловой части днищевые продольные ребра жесткости на длинных судах пропускают через поперечные переборки, не разрезая. В диаметральной плоскости устанавливают высокий вертикальный киль.
4. днищевое перекрытие со вторым дном, набранное по поперечной системе. Настил второго дна обеспечивает общую продольную прочность корпуса, удобство укладки груза и обслуживания трюма, препятствует проникновению воны внутрь судна при получении пробоины в днище. Образовавшееся междудонное пространство служит для хранения жидких судовых запасов и приёма балласта. В диаметральной плоскости установлен вертикальный киль. Параллельно килю с каждого борта идут днищевые стрингеры. Поперёк судна устанавливают сплошные, непроницаемые, бракетные или облегчённые флоры. Непроницаемые флоры выгораживают междудонные отсеки. На некоторых судах настил второго дна у борта может подгибаться наверх или подходить к борту горизонтально.
5. днищевое перекрытие со вторым дном, набранное по продольной системе набора. Применяется на крупных сухогрузных судах, в последнее время и на танкерах. В середине ширины судна устанавливают вертикальный киль, днидщевые стрингеры в данном случае могут быть поставлены несколько реже, чем при поперечной системе набора, но количество их с каждого борта также зависит от ширины судна и колеблется от одного до трёх. По днищу и под настилом второго днарасполагают днищевые продольные рёбра жёсткости второго дна. По настилом второго дна ставят сплошные и водонепроницаемы флоры.

Рис. Стр. 49-52

Конструкция борта : борт судна состоит из бортовых перекрытий, которые представляют собой участки борта, заключённые между поперечными переборками, палубой и днищем.

1. бортовое перекрытие набранное по поперечной системе набора. (сухогрузные суда, ледоколы и низкогабаритные танкеры. Бортовая обшивка поддерживает обыкновенными шпангоутами.

2. днищевое перекрытие со вторым дном, набранное по продольной системе набора. Такая конструкция применяется на крупнотоннажных танкерах и нефтерудовозах.

По данной тематике проводится лабораторная работа 2.1 (2 часа)

При движении судна прямолинейным курсом и положении руля в диаметральной плоскости, при отсутствии ветра и течения, сила упора движителей уравновешивается силами сопротивления воды движению корпуса судна. Руль и корпус симметрично обтекают встречные струи воды и сил отклоняющих судно не возникает. При перекладке руля на некоторый угол α , со стороны обращенной к обтекающему потоку, на руле возникает повышенное давление, а на противоположной стороне руля – пониженное. Разность давлений на сторонах пера руля создает силу Р, давящую на перо руля и зависящую от скорости натекания воды на перо руля, угла перекладки, формы и площади пера руля. После перекладки руля судно некоторое время, по инерции, продолжает двигаться прямолинейно, а затем поворачивается в сторону перекладки руля. Рассмотрим действие силы Р на судно в первый момент после перекладки руля.

Разложим силу Р по правилу параллелограмма на две составляющие силы: Ру – перпендикулярную ДП судна рулевую силу , и Рх – направленную по ДП силу торможения. Приложим к ЦТ судна две равные и противоположно направленные силы Р 1 и Р 2 , параллельные и равные силе Ру. Силы Ру и Р 2 образуют пару сил, а их поворачивающий момент Мр наз. моментом руля Мр = Ру 0,5L где 0,5L – плечо пары сил Ру и Р 2 . Сила Ру при движении прямым курсом определяют по формуле:

Ру = k 1 k 2 с р 0,5рSр(k υ υ) 2 (α+β с) где:

k 1 – коэф., учитывающий увеличение рулевой силы от постановки рулевых шайб(1,15-1,2);

k 2 – коэф., учитывающий влияние близости пера руля к корпусу судна (1,05- 1,3 при меньшем зазоре, больший коэффициент);

с р – угловой коэф. 5,15/1+(2S р / h р 2) где h р -высота пера руля,м;

ρ- массовая плотность воды (для пресной воды 102 кгс с 2 /м 4);

Sр – площадь пера руля,м 2 ;

k υ – коэф. учитывающий изменение скорости натекания воды на перо руля, от действия гребного винта и корпуса судна (1,1-1,55, больше при толкании, меньше для одиночных судов);

υ – скорость натекания воды на перо руля, м/с;

α – угол перекладки руля, град;

β с – угол скоса потока воды за кормой, вызванного обводами судна. (у одно и трех винтовых судов β с = 2-4 0 , у двухвинтовых с 2-мя рулями β с =0 0).

Из рисунка видно, что при перекладке руля на судно начинают действовать: поворачивающий момент Мр , направленный в сторону отклонения пера руля; сила Ру , смещающая судно в сторону противоположную повороту и сила Рх , увеличивающая сопротивление движению. Увеличение сопротивления при перекладке руля уменьшает скорость движения судна (при прямолинейном движении и удержании судна на курсе 5-ти градусными перекладками руля, теряется до 2% скорости), поэтому перекладка руля не должна превышать 1 0 .

Смещение и дрейф судна в сторону противоположную повороту руля, достигает наибольшего значения в кормовой части судна, что следует учитывать при выполнении поворотов и оборотов вблизи опасностей.

После преодоления сил инерции судно начинает двигаться по криволинейной траектории – циркуляции. В это время на судно, как на всякое физическое тело, движущееся по кривой, действует центробежная сила С , направленная в сторону противоположную повороту. Она приложена к центру тяжести судна, пропорциональна его массе m , квадрату скорости υ с поступательного движения ии обратно пропорциональна радиусу кривизны траектории движения r . С=mυ с 2 /r .

Эта сила с плечом h (расстояние между ц.т. и центром величины судна) создает кренящий момент Мкр = Сh, вызывающий крен судна в сторонупротивоположную повороту судна, что также следует учитывать привыполнении резкого поворота и оборота (снижать скорость и угол перекладки руля). Циркуляция, ее периоды и элементы см. выше.

После остановки движителей давление воды на перо руля резко уменьшается. С уменьшением скорости судно хуже слушается руля и может потерять управляемость . При работе винта «назад» на стороне руля обращенной к винту, создается пониженное давление, поэтому при руле переложенном «вправо» нос судна уклоняется влево и наоборот, т.е. корма судна уклоняется в сторону перекладки руля.

Сила давления на перо руля при движении задним ходом в первый момент определяется по формуле: Ру = с у 0,5S ρ υ 2 , рассмотрим действие силы Р на судно придвижении задним ходом. Отклонение руля вызывает поворачивающий момент от пары сил Р и Р 1 , увеличение сопротивлению воды движению корпуса судна и уменьшение скорости от действия силы Р х , и дрейф судна в сторону перекладки руля. При циркуляции на заднем ходу под действием рулевой силы увеличивается давление воды на кормовую часть борта (сила R 1 у) , в сторону которого переложен руль. Эта сила создает поворачивающий момент, противоположный поворачивающему моменту руля и общий поворачивающий момент в начальный момент циркуляции на заднем ходу равен разнице моментов рулевого и сопротивления воды корпусу судна. Поэтому даже при равном давлении на руль поворотливость на переднем ходу лучше, чем на заднем. Однако, через некоторое время после начала поворота угловая скорость начинает увеличиваться и гидродинамические силы со стороны наружного борта становятся больше динамической силы R 1 у , вызванной перекладкой руля. В это время поворачивающий момент судна – сумма момента руля и позиционного момента, что вызывает увеличение скорости поворота. Величина позиционного момента близка к величине момента руля, поэтому перекладка руля в противоположную сторону может не дать желаемого эффекта и не выведет судна из циркуляции. Учитывая это явление, при движении задним ходом не следует допускать больших скоростей поворота и движения. Для вывода судна из циркуляции следует дать реверс «вперед» и управлять судном на переднем ходу.