Классификация нагрузки судна

 

Во всех основных судостроительных странах существуют свои системы разбивки нагрузки на составляющие. В нашей стране сложилось так, что действует две системы, что, безусловно, к положительным достижениям в области судостроения не отнести.

В проектных организациях речного транспорта разбивка масс производится на основе стандарта ЦТКБ НПО «Судостроение» (Инженерный центр по судостроению). В соответствии с этим стандартом, который называется «Нагрузка масс судов внутреннего плавания», нагрузка судна подразделяется на разделы, группы, статьи. В случае необходимости статьи делятся на пункты. Стандарт предусматривает следующие разделы, которые обозначаются прописными буквами русского алфавита: А. КОРПУС; Б. МЕХАНИЗМЫ; В. СИСТЕМЫ; Г. ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ И РАДИООБОРУДОВАНИЕ; Д. ЗАПОЛНЕНИЕ МЕХАНИЗМОВ И СИСТЕМ; Е. СВАРНЫЕ ШВЫ; Ж. ЗАПАС ВОДОИЗМЕЩЕНИЯ; И. ДЕДВЕЙТ.

Разделы в свою очередь подразделяются на группы. Они обозначаются римскими цифрами. Так, например, раздел А. КОРПУС включает в себя следующие группы: I. Металлический корпус и надстройки; II. Неметаллические части корпуса и надстройки; III. Оборудование помещений; IV. Окраска, цементировка, изоляция, отделка, покрытия; V. Дельные вещи; VI. Судовые устройства; VII. Палубные механизмы; VIII. Снабжение и инвентарь; IX. Специальные устройства.

Содержание других разделов будет показано ниже.

Статьи, являющиеся составными элементами групп, обозначаются арабскими цифрами. Например, группа I. Металлический корпус и надстройки, включает в себя статьи: 1. Наружная обшивка; 2. Фальшборты; 3. Настил главной палубы и т.д.

При подразделении статей на пункты последние обозначаются малыми буквами.

Проектно-конструкторские предприятия судостроительной промышленности, расчет нагрузки ведут на основе стандарта ОСТ5Р-0206-2006 «Нагрузка масс гражданских и вспомогательных судов». Согласно ему нагрузка подразделяется на разделы, группы, подгруппы и статьи. Разделы обозначаются двузначным цифровым кодом и имеют следующие названия: 01. КОРПУС; 02. УСТРОЙСТВА СУДОВЫЕ; 03. СИСТЕМЫ; 04. УСТАНОВКА ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ; 05. ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА, ВНУТРИСУДОВАЯ СВЯЗЬ И ОБОРУДОВАНИЕ; 07. ВООРУЖЕНИЕ; 09. ЗАПАСНЫЕ ЧАСТИ; 10. БАЛЛАСТ (постоянный); 11. ЗАПАС ВОДОИЗМЕЩЕНИЯ И ОСТОЙЧИВОСТИ; 12. ПОСТОЯННЫЕ ЖИДКИЕ ГРУЗЫ; 13. СНАБЖЕНИЕ, ИМУЩЕСТВО; 14. ЭКИПАЖ, ПРОВИЗИЯ, ВОДА, РАСХОДНЫЕ МАТЕРИАЛЫ, РАСХОДНЫЕ ЖИДКИЕ СРЕДЫ; 15. ГРУЗ ПЕРЕВОЗИМЫЙ; 16. ЗАПАСЫ ТОПЛИВА, МАСЛА, ВОДЫ; 17. ПЕРЕМЕННЫЕ ЖИДКИЕ ГРУЗЫ; 18. ЖИДКИЙ БАЛЛАСТ; 19. ГРУЗЫ, СНАБЖЕНИЕ, ЗАПАСЫ ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ.

Группы в данном стандарте обозначаются четырехзначным цифровым кодом, подгруппы – шести, а статьи соответственно восьмизначным кодом. Например, раздел 01.КОРПУС – состоит из следующих групп: 0101 – Корпус металлический; 0102 – Подкрепления, фундаменты; 0103 – Дельные вещи; 0104 – Неметаллические части корпуса; 0105 – Покрытия, окраска; 0106 – Изоляция, зашивка; 0107 – Воздух в корпусе; 0108 – Оборудование помещений, постов.

В первую группу 0101 – Корпус металлический – входят в свою очередь такие шесть подгрупп: 010101 – Обшивка наружная, настил второго дна, примыкающие части; 010102 – Палубы и платформы корпуса; 010103 – переборки корпуса; 010104 – Надстройки, рубки, мачты; 010105 – Конструкции специальные; 010106 – Выступающие части.

И, наконец, статьи, например, первого раздела, имеют следующие обозначения: 01010101 – Обшивка наружная; 01010102 – Настил второго дна; 01010201 – Палубы бака и юта; 01010204 – Палуба верхняя; 01010222 – Комингсы грузовых люков и т.д. Расшифруем в качестве примера номер последней статьи. «Комингсы грузовых люков» – это 22 статья, 02 – подгруппы, 01 группы, 01 раздела.

Как можно сделать вывод из приведенной характеристики двух систем; они существенно отличаются друг от друга не только по форме разбивки нагрузки на составляющие, но и по их содержанию. Так, например, одинаковый по названию раздел КОРПУС в той и другой системе отличается существенно по составу входящих в него групп. Такие же различия имеют место и по другим разделам, что надо иметь в виду, работая с нагрузкой того или иного судна-прототипа.

 

Виды водоизмещения

 

в состав нагрузки входят массы как самого судна, его конструкций, механизмов, систем и т.д., так и массы, привносимые на судно, например, экипаж, груз, топливо, запасы воды и продовольствия, балласт и другие. Последние на судне могут быть, либо не быть полностью или частично. Это так называемые переменные массы. В связи с этим различается несколько характерных случаев состояний нагрузки судна – несколько видов его массового водоизмещения. Эти водоизмещения необходимо знать как в процессе проектирования, так и при эксплуатации судна, поскольку их величина, как уже отмечалось ранее, во многом определяет основные навигационные и эксплуатационные качества судна, его эффективность.

Для транспортного судна, прежде всего, различают водоизмещения порожнем и полное, являющиеся крайними случаями состояния нагрузки (минимальное и максимальное).

Водоизмещением порожнем называется масса полностью построенного судна, снабженного механизмами, системами, устройствами и другими электроэнергетическими системами, средствами связи и управления, согласно утвержденной спецификации, но без экипажа, перевозимых грузов и пассажиров, запасов топлива и смазки, воды, продовольствия, фекально-сточных вод. Это водоизмещение соответствует доковой массе судна, которую он имеет после постройки. При расчетах водоизмещения порожнем включается еще некоторая фиктивная масса, называемая запасом водоизмещения.

Уместно обратить внимание на то, что в практике эксплуатации судов под водоизмещением порожнем подразумевают массу судна в конце рейса. В этом случае, кроме массы самого судна, в нее входят масса экипажа и масса неудаляемых остатков различных запасов (топлива, воды и т.д.).

Полное водоизмещение, называемое также «водоизмещение в полном грузу» и «водоизмещение с полным грузом и с полными запасами», подразумевает полную массу судна как сумму масс всех разделов нагрузки. Оно равно сумме водоизмещения порожнем и массы экипажа, пассажиров, груза, запасов топлива, масла, воды и продовольствия.

В каждом частном случае выбор тех или иных промежуточных случаев нагрузки обуславливается спецификой судна, его назначением. В проектных расчетах при проверке ряда навигационных качеств, таких как остойчивость, прочность и других, Правила Речного Регистра оговаривают состояния нагрузки, при которых следует сделать соответствующие проверочные оценки. Эти случаи нагрузки соответствуют различным возможным состояниям судна в процессе эксплуатации. В частности, для транспортных судов представляет интерес нагрузка не только в начале рейса, но и при подходе в порт назначения, нагрузка в конце обратного рейса с остатками запасов топлива, масла, воды, с балластом или без него, с частично принятым грузом и т.д. В связи с этим в случае необходимости дополнительно рассматривают, например, такие водоизмещения: 1. Судно без груза с 10% запасом; 2. Судно без груза с 100% запасом; 3. Судно без груза с балластом и 10% (100%) запасом; 4. Судно в грузу с 50% запасом груза. При этом нужно иметь в виду, что под массой судна без груза не следует понимать строительную массу судна.

Расчет нагрузки масс на начальных этапах

Разработки проекта

 

Общий подход

Массы судовых конструкций, механизмов, оборудования, устройств и других составляющих нагрузки судна при его проектировании определяют расчетом по соответствующим чертежам, по техническим условиям на поставку материалов, механизмов, агрегатов и других предметов, получаемых по контрагентским поставкам. Однако на начальных стадиях проектирования, когда чертежи еще не разработаны, а состав механизмов и оборудования не определен, такой подход исключается. Массу судна рассчитывают по укрупненным составляющим (большей частью соответствующим разделам или по их совокупности), величину которых находят в зависимости от основных элементов и характеристик, относимых, прежде всего, к числу главных неизвестных проектируемого водного транспортного средства. Для этих целей конструируются одночленные зависимости вида

 

(3.1.)

 

где – коэффициент пропорциональности; Х_n – один из совокупности основных элементов (характеристик) судна; a, b, g – показатели степени.

Произведение элементов в этих формулах в теории проектирования называют модулем, а коэффициент пропорциональности – измерителем массы. Показатели степени при том или ином неизвестном могут быть положительными, отрицательными или равными нулю. Модуль формулы составляется по физическим и геометрическим соображениям и, строго говоря, в соответствии с теорией размерностей и подобия его размерность должна быть такой же, как и у массы Р_i, либо эта размерность должна получаться при умножении модуля на необходимую по смыслу физическую постоянную – ускорение свободного падения, плотность, модуль упругости материала и т.д. Измеритель массы в этом случае должен быть функцией безразмерных комбинаций, входящих в формулу элементов Х_n. Однако многие практические формулы этим требованиям не удовлетворяют и поэтому коэффициенты пропорциональности (измерители масс) являются размерными величинами и не отличаются большой стабильностью, а сами формулы – высокой точностью. Результат получается вполне приемлемым, если данные измерители устанавливаются путем пересчета по нагрузке наиболее подходящего судна-прототипа

 

,

(3.2)

 

где j – номер судна в списке судов-прототипов, по данным которого вычислялся измеритель i -ый составляющей нагрузки судна.

В случае необходимости нагрузки Р_ij предварительно «исправляются», например, с учетом того, что нагрузка прототипа и проектируемого судна рассчитывается по разным системам (стандартам) или с целью внесения в нее изменений, учитывающих отличия в части архитектурно-конструктивного типа, класса, особенностей оборудования, устройств, снабжения и т.д.

Ниже рассмотрим методы, используемые для расчета основных составляющих массы судна, опираясь на разбивку применительно к судам внутреннего плавания.

 

Нагрузка по разделу КОРПУС

Наиболее крупной составляющей нагрузки, за исключением дедвейта грузовых судов, является масса корпуса судна. Для сухогрузных теплоходов внутреннего и смешанного плавания его доля в среднем составляет от 20 до 30%, а для пассажирских до 70% от полного водоизмещения судна. Кроме того, в понятие КОРПУС входит значительное количество составляющих, многие из которых, строго говоря, не объединяются едиными функциональными зависимостями. Достоверное определение этой массы является важной и достаточно сложной задачей, так как успешное ее решение во многом определяет и точность определения массы всего судна. В свою очередь основная доля раздела КОРПУС приходится на массу металлического корпуса. Именно она определяет массу раздела и судна. Различные зависимости, используемые для подсчета массы корпуса по предложению Л.М. Ногида, могут быть объединены в следующие четыре группы:

1. Эмпирические формулы наиболее простого вида, полученные путем статистической обработки нагрузок построенных или спроектированных судов и учитывающие их зависимость от основных элементов и характеристик.

2. Эмпирические формулы, полученные на основе статистической обработки нагрузок судов с систематически изменяющимися элементами. Они учитывают, кроме главных элементов, влияние конструктивных особенностей судна на соответствующие его нагрузки.

3. Формулы, полученные на основе приближенного учета условий, определяющих прочность корпуса.

4. Формулы, в основу которых положен принцип детальной разбивки корпуса на большое количество составляющих с последующим расчетом массы этих составляющих.

Далее эти подходы к определению массы корпуса рассмотрены более подробно.

Определение массы металлического корпуса по формулам первой группы. Формулы первой группы являются наиболее приближенными и основаны на предположении, что масса всего раздела и основной его составляющей – металлического корпуса пропорциональна водоизмещению судна

 

,

(3.3)

 

где – измеритель массы корпуса; D – водоизмещение (масса) судна.

Лучше отражает физическую сущность, а, следовательно, и дает более точный результат выражение

 

Р к = y к LBH,

(3.4)

 

где L, B, H – расчетные длина, ширина и высота борта судна; y _к – измеритель массы корпуса.

Согласно ему масса корпуса считается пропорциональной его полному объему, и в формуле эта предпосылка представляется через пропорциональность объему параллелепипеда, построенного на главных размерениях судна. Произведение LBH в данной формуле является модулем. Так как он имеет размерность длины в третьей степени, то поэтому в теории проектирования его называют кубическим модулем.

В то же время на начальных этапах проектирования, когда искомой неизвестной является обычно водоизмещение, более удобно использовать формулу (3.3), несмотря на меньшую ее точность. Для повышения достоверности расчетов по ней измеритель можно выразить через измеритель y _к, имеющий большую стабильность. Для этого, приравняв правые части выражений (3.3) и (3.4), можно получить

 

,

(3.5)

 

где d – коэффициент полноты водоизмещения судна; Т – осадка; r – плотность воды.

Масса металлического корпуса, как основная часть раздела КОРПУС выражается аналогично (3.3) и (3.4)

 

Р мк = D;

(3.6)

 

Р мк= y мк LBH.

(3.7)

 

Связь между этими измерителями массы подобна (3.5). Сама величина измерителей может приниматься либо по статистическим данным, либо по данным судна-прототипа расчетом согласно (3.2).

 

(3.8)

 

Последнее, при наличии близкого прототипа, является более предпочтительным. Однако при этом наряду с правильным пользованием данными судна-прототипа необходимо учитывать особенности проектируемого судна, которые могут отразиться на величине измерителя массы. Прежде всего, надо иметь в виду его зависимость от величины кубического модуля, класса судна, механических характеристик материала корпуса. Общий вид двух первых зависимостей приведен на рис. 3.1. Из него видно, что с увеличением размеров судна относительная масса его корпуса уменьшается. Это связано с более благоприятным соотношением размеров связей, необходимых для обеспечения общей и местной прочности по сравнению с судами меньших размеров. Увеличение измерителя массы корпуса судов класса «М» по сравнению, например, с классом «О» объясняется более высокими к ним требованиями с точки зрения общей прочности (большая расчетная волна) и, следовательно, большими в связи с этим, размерами связей корпуса.

 

y мк

 

Рис. 3.1. Зависимость измерителя массы корпуса от кубического модуля

1 – класс «Р»; 2 – класс «О»; 3 – класс «М»

 

Количественно оценить влияние класса на массу корпуса весьма сложно. Получить эту зависимость на основе статистических данных по построенным или спроектированным судам, строго говоря, нельзя, так как они, как правило, имеют различный уровень общей прочности (уровень действующих в связях корпуса напряжений) и поэтому между собой не сопоставимы. На рис. 3.2 в качестве примера такого подхода приведен взятый из [2] график зависимости массы металлического корпуса от размеров грузовых судов и их класса, полученный на основе статистического анализа. С учетом сказанного выше он может быть использован для анализа на самых начальных стадиях проектирования.

 

 

Рис. 3.2. Зависимость массы металлического корпуса грузовых судов

от модуля L ^1/4 B ^3/4 H ^1/2 d ^1/3

I – класс М; II – класс О (с двойным дном; III – класс О (без двойного дна);

IV – класс Р (с двойным дном; V – класс Р (без двойного дна

 

Более корректную оценку количественного влияния класса на массу металлического корпуса грузовых судов выполнили в Инженерном центре по судостроению (ИЦС г. С. Петербург). Приняв в качестве исходного сухогруз проекта 1743.7 и танкер проекта 1557, их модифицировали на различные классы Речного и Морского Регистров. Получено, что танкер класса «О» имеет металлический корпус на 2,5% тяжелее, чем у такого же судна класса «Р». При сопоставлении судов класса «О» и «М» разница составила 5%, классов «М» и «М-СП» – 6,2%, классов «М-СП» и «III–СП» – 15,5%, «III–СП» и «II–СП» – 6,4%.

Переход на сталь повышенной прочности по сравнению с судном-прототипом приводит к уменьшению размеров связей корпуса и, следовательно, его массы и измерителей y _к и y _мк. В то же время суда из легкого сплава при их одинаковых размерениях также имеют меньшую массу корпуса по сравнению со стальными, что, естественно, приводит к уменьшению в этом случае и измерителя массы.

Как видно из формул (3.3) и (3.4), данный подход предполагает, что масса металла надстроек также пропорциональна главным размерениям судна. В том случае, если размеры надстройки проектируемого судна существенно отличаются от таковых судна-прототипа, масса металлического корпуса более точно может быть рассчитана

 

,

(3.9)

 

где W_Н – объем надстроек проектируемого судна, м³.

Если объем надстройки на начальной стадии определить затруднительно, различие в размерах надстроек при определении массы корпуса можно учесть, используя так называемую приведенную высоте борта

 

,

(3.10)

 

где h_i, L_i – высота и протяженность i- го яруса надстройки. Тогда формула (3.4) принимает вид

 

(3.11)

 

Масса металла самой надстройки может быть определена

 

Р мн = y мн WH,

(3.12)

 

Объем прямоугольных в плане надстроек и рубок можно вычислить

W_H = S l_i b_i h_i,

где l b_i h_i – длина, ширина, высота i -й надстройки.

Относительная масса (измеритель) надстройки определяется по судну-прототипу, либо по статистическим данным. Средняя величина y_мн для речных судов имеет следующие значения:

грузовые суда буксиры, буксиры-толкачи транзитные пассажирские

0,05 – 0,08 т/м^3; 0,55 – 0,65 т/м^3; 0,06 – 0,07 т/м^3.

Масса надстройки может быть выражена в долях от массы металлического корпуса

 

(3.13)

 

Доля массы надстройки К _ндля пассажирских судов составляет 25¸32%; буксиров и буксиров-толкачей – 10,5¸12%. Для грузовых судов К_н следует принимать в зависимости от грузоподъемности Р _гр (табл. 3.2).

 

Таблица 3.2

 

Коэффициент К_н для грузовых судов

Р гр, т
К н	16,0	13,0	11,5	9,0	7,5	6,0	4,0

 

Иногда при определении элементов судна вместо кубического модуля LBH используется один из квадратичных, например, L (B+H).

Тогда масса корпуса или его металла рассчитывается

 

(3.14)

 

(3.15)

 

Как видно из выражения (3.15), масса корпуса считается пропорциональной площади наружной обшивки параллелепипеда (понтона) со сторонами, равными длине, ширине и высоте борта судна. Измеритель массы в этом случае представляет собой массу корпуса, приходящуюся на единицу площади (1 м²) наружной поверхности указанного параллелепипеда, тогда как при использовании кубического модуля он представляет собой массу, приходящуюся на 1 м³ этого параллелепипеда.

При представлении массы раздела корпус в виде суммы

 

Р к = Р мк + SР к i= Р мк + Р об,

 

где Р _{к i} – масса i -ой группы раздела корпус; Р _об – масса оборудования по разделу корпус, масса оборудования корпуса довольно точно определяется зависимостями:

 

(3.16)

 

(3.17)

 

На начальных стадиях, особенно когда имеется близкий прототип, приемлемый результат при расчете Р _обполучается и при использовании кубического модуля в первой степени.

Наиболее точно можно определить Р _об расчетом по отдельным составляющим. Согласно разбивки раздела КОРПУС, принятой в проектных организациях речного транспорта, состав оборудования для транспортных судов объединяется в семь групп. В табл. 3.3 приведены рекомендуемые модули для пересчета этих групп и некоторых их составляющих.

Таблица 3.3