Опрокидывание судов на попутном волнении

Опрокидывание судна на попутном волнении является результатом воздействия на него волн и ветра в условиях, когда у судна резко уменьшается восстанавливающий момент и оно теряет курсовую устойчивость. Такие условия возникают, когда скорость бега волн близка к скорости судна, а длина судна примерно равна длине волны.

Рассмотрим изменение метацентрической высоты при положении судна на гребне волны. С этой целью формулу метацентрической высоты удобно записать в виде

h = Z_c + ρ — Z _g,

где h — поперечная метацентрическая высота;

Z_c — аппликата центра величины;

ρ — метацентрический радиус;

Z _g— аппликата центр а тяжести судна.

Из данной формулы следует, что изменение метацентрической высоты происходит в соответствии с зависимостью

Δ h = Δ Z _c + Δ ρ - Δ Z _g,

При статической постановке судна на гребень волны положение центра тяжести не меняется (Z _g =0). Приращение аппликаты центра величины ΔZ_c всегда положительно, так как вышедшие из воды объемы оконечностей судна компенсируются погружением в воду объемов его цилиндрической части (рис. 6.3). Метацентрический радиус характеризует влияние поперечных размеров судна на метацентрическую высоту и пропорционален моменту инерции площади действующей ватерлинии относительно продольной оси. Как видно из рис. 6.3, на гребне волны за счет развала бортов площадь действующей ватерлинии в оконечностях судна сокращается и, следовательно, уменьшается метацентрический радиус. Таким образом, изменение метацентрической высоты происходиn за счет совместного изменения Δ Z _c и Δ ρ. На гребне волны метацентрическая высота уменьшается вплоть до отрицательных значений, и тогда судно теряет начальную остойчивость, а его крен достигает значительной величины. Положение усугубляется еще тем, что с выходом из воды винторулевой группы судно становится неуправляемым. Если в этот момент под влиянием ветра и волнения судно быстро развертывается лагом к волне, то может наступить опрокидывание. Опасность опрокидывания тем вероятнее, чем дольше судно находится в неблагополучных условиях и, следовательно, чем ближе скорость судна к скорости бега волн.

Это относится и к тем случаям, когда курс судна не располагается под некоторым углом к волне. Установлено, что курсовой угол волны, при котором возможно уменьшение метацентрической высоты, находится в пределах 45°, а опасными размерами волны считаются такие, при которых она располагает свой профиль на 60—80% длины судна.

Рис. 6.4. Диаграмма опасных скоростей судна и курсовых углов волн на попутном волнении: φ — курсовой угол направления бега волн; L — длина судна, м; v — скорость, уз

Внешними признаками ситуации, при которой возможно опрокидывание, являются быстрое нарастание крена на гребне волны (судно как бы теряет опору), глубокие зарыскивания судна и слабая реакция на перекладку руля. Поэтому судоводители должны внимательно следить за поведением судна и при появлении указанных признаков в качестве первой меры предосторожности экстренно снижать скорость.

На рис. 6.4 представлена диаграмма для выбора скоростей хода и курсовых углов волнения, исключающих постановку судна на волну опасной длины.

Слеминг

Ударные повторяющиеся гидродинамические нагрузки, действующие в носовой части судна в условиях интенсивной килевой качки при плавании навстречу волнению, называют слемингом.

Различают днищевой слеминг, зависящий от формы поперечных сечений днища судна в носовой части, и бортовой, определяемый развалом бортов в носовом районе палубы.

Днищевой слеминг наблюдается, как правило, у судов в балласте, с большим дифферентом на корму или имеющих полные обводы и плоское днище в носовой части; бортовой — наоборот, у судов в грузу и с сильно выраженной килеватостью.

Бортовой слеминг не приводит к повреждению обшивки и набора корпуса, но вызывает в корпусе сильные вибрации.

Основной причиной слеминга является совместное действие вертикальной и килевой качки. Наибольший слеминг наблюдается в условиях резонанса, когда частота килевой качки приближается к частоте собственных колебаний судна в продольной плоскости. Это имеет место при λ/L ≈1, где λ — длина волны; L — длина судна. При λ / L >1,5 и λ / L -<0,75 слеминг практически отсутствует.

Начало слеминга определяется также скоростью судна относительно волн. Скорость, при которой при прочих равных условиях слеминг не наблюдается, зависит от высоты волны и отношения λ/L. Чем больше высота волны и чем ближе λ/L к единице, тем в большей мере необходимо снизить скорость судна.

Практически допустимой силой ударов при слеминге считается такая сила, при которой удары еще терпимы для экипажа. В противном случае необходимо уменьшить ход или изменить курсовой угол волны.

Качка судов

Качкой называют колебательные движения судна под воздействием внешних сил.

При изучении колебаний судна различают качки на тихой воде и на волнении. Колебания судна на тихой воде возникают под действием однократно приложенного к корпусу судна момента внешних сил и называются собственными, или свободными. Период свободных колебаний зависит от массы, размеров и начальной метацентрической высоты судна. Под влиянием сил сопротивления воды свободные колебания со временем затухают. От периода свободных колебаний зависит качка судна на взволнованном море.

В практических целях период свободных колебаний бортовой качки определяют по приближенной формуле

, (6.2)

где T ₂ — время, в течение которого судно совершает одно полное

колебание;

k —коэффициент, равный: для пассажирских судов 0,71-

0,75; для грузовых судов 0,81;

В — ширина судна, м;

h — поперечная метацентрическая высота, м.

В Информации капитану по остойчивости судна содержатся графики зависимости свободных колебаний от метацентрической высоты и водоизмещения (осадки), по которым Т₂ определяется с высокой точностью.

Приближенная формула для определения свободных колебаний килевой и вертикальной качки

, (6.3)

где T _ср — осадка судна, м.

На взволнованном море качка происходит под воздействием волн. Возмущающей силой является сила поддержания, направленная перпендикулярно поверхности волнового склона. Если волнение регулярное, возмущающая сила действует на корпус со строгой периодичностью и судно колеблется во всех своих плоскостях с частотой следования волн. Такие колебания называются вынужденными. Они подчиняются закономерности

Θ=Θ_msin(ωt-β),

где Θ_m— амплитуда перемещения судна из положения равновесия в одно из крайних положений;

β — отставание фазы наклонения судна от фазы волнового склона.

Амплитуда колебаний без учета сил сопротивления среды определяется выражением

, (6.4)

где q — коэффициент меньше единицы, учитывающий присоединенные массы воды.

Из формулы (6.4) видно, что крен судна во время качки зависит от отношения T ₂/τ и крутизны волны α₀

Рис. 6.5. График относительной амплитуды бортовой качки

На рис. 6.5 представлена графическая зависимость относительной амплитуды качки Θ_m/α₀ от T ₂/τ. Из рисунка видно, что с приближением периода волны τ к периоду собственных колебаний амплитуда вынужденных колебаний возрастает и при отсутствии сопротивления воды становится бесконечно большой в случае τ= T ₂ (кривая 1). Это означает, что если бы отсутствовали силы сопротивления воды, то судно непременно бы опрокинулось. Описанное явление называется резонансом. С учетом сопротивления относительная амплитуда при резонансе не обращается в бесконечность, но может достигать значительной величины, опасной для судна (кривая 2).

Амплитудная кривая 2 показывает, что особенно резкое увеличение амплитуды происходит при соотношении 0,7≤ T ₂/τ≤1,3. Этот диапазон периодов называется зоной усиленной качки.

При изменении соотношения периодов свободных и вынужденных колебаний изменяется не только амплитуда, но и фаза колебаний судна, что сказывается на его поведении на волнении.

Наглядную картину поведения судна, поставленного лагом к волне, дает рассмотрение следующих трех случаев, характеризующих принципиально различные условия качки (рис. 6.6).

1. Дорезонансный режим качки. Период качки много больше периода свободных колебаний τ≥ T ₂. Сдвиг фаз волны и судна отсутствует, т. е. β=0. Судно качается в согласии с волной, т. е. плоскость палубы остается параллельной волновому склону. Крен судна может быть значительным, но не больше максимального угла волнового склона α₀. Этот случай имеет место при длинных волнах (с очень большим периодом) или при малом периоде собственных колебаний (при большой начальной остойчивости).

2. Условие резонанса τ= T ₂. Судно качается со сдвигом по фазе по отношению к волне, близким к 90°, т. е. β=90°. Наибольший крен имеет место на вершине и на подошве волны, где угол волнового склона α равен нулю. Качка судна стремительная. У низкобортных судов возможно поступление больших масс воды на палубу.

3. Послерезонансный режим τ≤ T ₂ бывает при коротких вол-

нах или больших периодах собственных колебаний (у судов с малой начальной остойчивостью). Амплитуды качки весьма малы, но судно может испытывать сильные удары волн в борт и заливание палубы.

Рассмотренные закономерности относились к бортовой качке судна, но они справедливы и для килевой качки. Специфика состоит в том, что период собственных колебаний в продольной плоскости весьма мал и поэтому килевая качка при плавании навстречу волнению, как правило, происходит в условиях резонанса, при которых существенно возрастают динамические нагрузки, заливаемость и дополнительное сопротивление, уменьшающие ход.