Внешние силы и напряжения в корпусе судна

Определения и общие положения. Прочностью корпуса судна назы­вают его способность противостоять внешним усилиям, возникающим в процессе эксплуатации судна, без нарушения целости как всего корпуса, так и отдельных его конструктивных элементов. Прочности корпуса должна соответствовать необходимая жесткость, т. е. способ­ность сопротивляться внешним усилиям без значительных изменений формы конструкций. В большинстве случаев при удовлетворении требований к прочности жесткость оказывается достаточной.

Изучая прочность плавающего судна, его корпус рассматривают как пустотелую тонкостенную составную балку переменного по длине сечения, находящуюся под воздействием сложной системы сил, в чис­ло которых входят силы веса и инерции, гидростатические силы давления воды, гидродинамические силы, возникающие при движении судна, и т.п. Все эти силы в совокупности вызывают деформацию корпуса, которую в практических расчетах принято разделять на деформацию общего изгиба в продольной и поперечной плоскостях и местные деформации составных элементов корпуса. Соответственно рассматривают общую продольную прочность, поперечную прочность и местную прочность корпуса судна.

При характерных для морских судов соотношениях между вы­сотой борта и шириной корпуса обеспечение общей продольной проч­ности в обычных условиях плавания на взволнованной поверхности моря приводит также и к обеспечению общей поперечной прочности, которую проверяют только в особых случаях (например, при поста­новке в док).

Кроме усилий, возникающих при общем изгибе корпуса, отдель­ные его конструкции воспринимают различные местные нагрузки. Например, набор и настил палубы воспринимают вес расположенных на палубе грузов, днище и борта - давление забортной воды и т. д. Проверка прочности этих конструкций под действием таких местных нагрузок является задачей расчета местной прочности.

Внешние силы, вызывающие общий изгиб корпуса. При проверке общей продольной прочности корпус судна рассматривают в условиях воздействия на него только вертикальной нагрузки - сил веса и верти­кальных составляющих гидростатических и гидродинамических сил давления воды. Горизонтальные составляющие внешней нагрузки (упор движителей и силы сопротивления воды) не учитывают, так как общие напряжения в связях корпуса от таких сил пренебрежимо малы. Явление общего изгиба корпуса судна, плавающего на взволно­ванной поверхности воды, схематизируется. Изгибающие моменты,возникающие в различных поперечных сечениях корпуса, разделяют на три составляющие: на изгибающие моменты, возникающие при плавании судна на тихой воде; на дополнительные изгибающие момен­ты, возникающие при плавании на волнении в результате перераспре­деления сил плавучести по длине судна и на дополнительные динами­ческие изгибающие моменты, действию которых судно периодически подвергается при ходе на волнении вследствие ударов днищем о во­ду. Соответственно разделяют и перерезывающие силы в поперечных сечениях корпуса.

Силы веса и вертикальные составляющие гидростатических сил давления воды (силы плавучести), действующие на судно, плавающее в положении статического равновесия на тихой воде, уравновешены в целом, т. е. их равнодействующие равны по абсолютному значению, противоположно направлены и приложены в точках, лежащих на од­ной вертикали. Однако по длине судна силы веса и плавучести распре­делены по различным законам, что приводит к возникновению перерезывающих сил и изгибаю­щих моментов, а следовательно, ик общему продольному изгибу корпуса.

Распределение сил веса по длине судна определяется ступен­чатой кривой сил веса (рис. 11.1,а), а распределение сил плавучести - ступенчатой кривой сил плавучес­ти (рис. 11.1, б), равновеликой по площади строевой по шпангоутам судна. Вычитая ординаты ступен­чатой кривой сил плавучести из ординат ступенчатой кривой сил веса, получают ступенчатую кри­вую нагрузки q (рис. 11.1, в). Со­гласно общей теории изгиба балок первая интегральная кривая от кривой нагрузки будет представ­лять собой кривую перерезываю­щих сил Q (рис. 11.1, г), а вторая интегральная кривая - кривую изгибающих моментов Μ (рис. 11.1,д). Все операции по построе­нию указанных выше кривых в совокупности носят название по­становки судна на тихую воду. Ординаты кривой сил веса представляют в некотором вы­бранном масштабе силы веса, дей­ствующие на единицу длины судна.

Рис. 11.1. Эпюры сил веса (а), сил пла­вучести (б), нагрузки (в), перерезываю­щих сил (г) и изгибающих моментов (д)

Для построения этой кривой длину судна разбивают на двадцать рав­ных по длине участков - теоретических шпаций. Для упрощения расчетов принимают допущение, что в пределах каждой шпации вес распределяется равномерно, вследствие чего кривая получает ступен­чатый вид. Исходным документом для построения кривой сил веса служит подробная таблица нагрузки судна, а также чертеж продольно­го разреза судна, при помощи которого отдельные статьи нагрузки распределяют по теоретическим шпациям. Предложено несколько способов (приемов) построения отдельных составных частей кривой сил веса, в частности кривой сил веса корпуса. Подробное рассмотре­ние этих способов, представляющее интерес лишь для инженеров-ко­раблестроителей, выполняющих расчеты общей прочности, выходит за пределы данного курса. Укажем только, что необходимыми условиями правильности построения кривой служат равенство ее площади (с учетом принятых масштабов) водоизмещению судна и совпадение абсцисс ЦТ площади кривой и ЦТ судна.

Кривая сил плавучести представляет собой строевую по шпан­гоутам, ординаты которой умножены на удельный вес забортной воды и отложены в масштабе, принятом ранее при построении кривой веса. Для упрощения расчетов полученную таким образом главную кривую сил плавучести заменяют равновеликой ей по площади ступенчатой кривой (см. рис. 11.1, б). Отметим, что площади и абсциссы ЦТ ступен­чатых кривых сил веса и сил плавучести должны соответственно сов­падать в связи с равновесным положением судна.

Построение кривой нагрузки q не требует пояснений. Отметим только, что если кривая нагрузки построена правильно, то части ее площади, расположенные выше и ниже оси сравнения, будут равны между собой.

Ординаты кривых перерезывающих сил и изгибающих моментов в произвольном сечении с абсциссой x определятся интегралами

, (11.1)

которые вычисляют табличным способом как интегралы с переменным верхним пределом.

Кривые перерезывающих сил и изгибающих моментов как интег­ральные по отношению к кривой нагрузки обладают следующими свойствами: кривая нагрузки пересекает ось сравнения в точках, отвечающих экстремальным значениям перерезывающей силы; кривая перерезывающих сил пересекает ось сравнения в точках, отвечающих экстремальным значениям изгибающего момента: экстремальные значения кривой перерезывающих сил отвечают точкам перегиба кривой изгибающих моментов.

При плавании судна по взволнованной поверхности моря происхо­дит непрерывное перераспределение сил плавучести по длине судна вследствие изменения профиля волновой ватерлинии в процессе поступательного перемещения (хода) и качки судна. В результате такого перераспределения возникает дополнительная внешняя нагрузка на корпус судна, которая приводит к возникновению допол­нительных перерезывающих сил и изгибающих моментов.

В результате килевой и вертикальной качки судна возникают также дополнительные ускорения, а следовательно, изменяются и си­лы веса. Кроме того, в условиях такой качки при ходе против встречной волны происходит периодическое оголение носовой оконечности судна; при входе ее в воду на днище действуют значительные гидро­динамические силы, вызывающие соответствующий динамический изгиб корпуса судна.

В классической теории общего продольного изгиба корпуса судна на волнении обычно принимают допущение, что с точки зрения общей продольной прочности наиболее неблагоприятными являются такие положения судна, когда его мидель-шпангоут располагается либо на вершине, либо на подошве волны, гребень которой перпендикулярен ДП судна, а длина равна длине судна (рис. 11.2). Если средняя часть судна находится на вершине волны (рис. 11.2, а), то силы плавучести на этом участке возрастают, а к оконечностям убывают. В этом случае корпус судна изгибается, получая перегиб. Наоборот, когда средняя часть судна находится на подошве волны (рис. 11.2, б), силы плавучес­ти посредине уменьшаются, а к оконечностям возрастают и судно получает прогиб.

а.)

Рис. 11.2. Судно на вершине (а) и на подошве (б) волны

В тех случаях, когда гребень волны не перпендикулярен ДП судна, его корпус кроме общего продольного изгиба подвергается скручиванию. Однако скручивание, как правило, не является лимити­рующим фактором для морских транспортных судов за исключением судов некоторых конструктивных типов, например судов открытого типа (с широкими люками). Для таких судов существует специальная расчетная методика.

Дополнительные перерезывающие силы и изгибающие моменты, возникающие на волнении в результате перераспределения сил пла­вучести по длине судна, могут быть определены путем расчета, извест­ного под названием статической постановки судна на вершину и подошву волны. В этом расчете кривые сил веса и сил плавучести на тихой воде не используют, а строят только кривую дополнительной нагрузки, интегрированием которой по длине судна получают искомые кривые дополнительных (волновых) перерезывающих сил и изгибаю­щих моментов. Однако, вследствие значительной трудоемкости такого расчета, часто пользуются соответствующими приближенными форму­лами. Приближенная методика существует также для определения динамической составляющей волновой нагрузки.