Расчет судна

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1. Введение

Каждое судно должно обладать комплексом эксплуатационных и мореходных качеств.

К эксплуатационным качествам принято относить грузоподъемность и грузовместимость; маневренность, скорость, дальность плавания и автономность; обитаемость судна. Одним из важнейших эксплуатационных качеств является прочность, которая, наряду с мореходными качествами, обеспечивает безопасность плавания судна.

Каждое судно должно обладать комплексом эксплуатационных и мореходных качеств.

К эксплуатационным качествам принято относить грузоподъемность и грузовместимость; маневренность, скорость, дальность плавания и автономность; обитаемость судна. Одним из важнейших эксплуатационных качеств является прочность, которая, наряду с мореходными качествами, обеспечивает безопасность плавания судна.

Мореходные качества судна - плавучесть, остойчивость, непотопляемость, ходкость, плавность качки и управляемость входят в компетенцию специальной науки - теории корабля.

Плавучестью называется способность судна плавать в заданном положении относительно поверхности воды.

Остойчивость - это способность судна, выведенного из равновесия, возвращаться в исходное положение после прекращения действия внешних сил.

Непотопляемость - способность судна оставаться на плаву и в ограниченной степени сохранять другие мореходные качества после затопления одного отсека или их группы. Непотопляемость определяется плавучестью и остойчивостью поврежденного судна.

Ходкостью называется способность судна двигаться с заданной скоростью при наименьшей возможной мощности главной механической установки.

Плавность и малые амплитуды качки - качества, необходимые для обеспечения мореходности судна в условиях морского волнения.

Управляемость - это способность судна выдерживать заданное направление движения.

2. Форма судового корпуса

Основные габаритные размеры корпуса принято называть главными размерениями. Это L - длина судна; В - ширина; Н - высота борта; Т - осадка. Первые три неизменны и относятся к геометрическим характеристикам корпуса в целом, последняя - осадка - может изменяться в широких пределах и определяет погруженный (подводный объем) судна. Обычно, когда говорят о главных размерениях судна, то принимают осадку по расчетную, или конструктивную, ватерлинию, соответствующую проектной загрузке судна.

Построение корпуса

Для проведения расчетов по статике корабля необходимо начертить корпус теоретического чертежа и сделать некоторые дополнительные построения. Размеры корпуса выбираются таким образом, чтобы ширина его составила 350-500 мм, а масштаб по отношению к судну был одним из стандартных. Корпус вычерчивается на формате А2 по 11 равноотстоящим шпангоутам, причем изображаются обе ветви каждого шпангоута, носовые - сплошной линией, кормовые - пунктирной. Надстройки не учитываются.

Кроме шпангоутов на корпусе наносятся:

- диаметральная плоскость

- ватерлинии (7-8), причем интервал между ватерлиниями выбирается таким, чтобы грузовая ватерлиния (ГВЛ) была 4-й или 5-й

- так как для повышения точности расчетов вычисляются поправки к элементам ватерлиний, учитывающие истинную их длину, справа от корпуса наносится контур форштевня, а слева - контур ахтерштевня.

При проведении расчетов используется девая система координат, связанная с судном и имеющая начало в точке в точке 0 пересечения плоскостей: основной, диаметральной и мидель-шпангоута. Ось ОХ - линия пересечения диаметральной плоскости с основной плоскостью, положительное направление оси - в нос, ось ОУ является линией пересечения плоскости мидель-шпангоута с основной плоскостью, положительное направление оси - на правый борт с осью OZ является линией пересечения диаметральной плоскости с плоскостью мидель-шпангоута, положительное направление оси - вверх. Угол крена - положительный при наклонении на правый борт, угол дифферента - положительный при наклонении на нос.

После построения корпуса необходимо составить таблицу основных ординат. Ввиду того, что некоторые шпангоуты имеют на скуле большую кривизну или заканчиваются между ватерлиниями, для повышения точности расчета надо вводить приведенные ординаты, определяемые равенством отброшенной и добавленной площадей.

Ватерлинии могут оканчиваться между шпангоутами, поэтому для учета истинной длины ватерлиний при расчетах вводятся поправки к элементам площади ватерлинии.

Предварительно составляется таблица, в которую заносятся абсциссы Хн и Хк точек окончания ватерлиний. Это, по существу, абсциссы точек пересечения контуров форштевня и ахтерштевня с соответствующими ватерлиниями.

3.Теоретический чертеж

Исчерпывающее представление о форме корпуса судна дает его теоретический чертеж. Он состоит из трех проекций, на каждой из которых изображаются сечения корпуса плоскостями, параллельными рассмотренным выше, - ДП, пл. мш и ОП.

На теоретическом чертеже представляется теоретическая поверхность корпуса без учета наружной обшивки и выступающих частей.

Совокупность сечений плоскостями, параллельными ДП, принято называть боком, а сами эти сечения - батоксами. Обычно на этой проекции нос судна изображается справа, а корма - слева. Сечения плоскостями, параллельными пл. мш, наносятся на вторую проекцию, так называемый корпус. В силу симметрии судна относительно ДП на корпусе представляют только половину соответствующего сечения: справа от вертикальной линии - следа ДП - располагают носовые шпангоуты, слева - кормовые, сечение по мидель-шпангоуту помещают полностью, на обеих половинах корпуса.

Третья проекция - полуширота - совокупность сечений корпуса плоскостями, параллельными ОП. Здесь также представляются только половины симметричных относительно ДП ватерлиний. Обычно на теоретическом чертеже изображают равноотстоящие батоксы (2-3 на один борт), ватерлинии(10-15) и шпангоуты - 21. Нумеруются батоксы от ДП, ватерлинии - от ОП. Вертикальные линии, проведенные через точки пересечения КВЛ с линиями штевней называются носовым и кормовым перпендикулярами. Для однoвинтoвыx судов кормовой перпендикуляр совпадает с осью баллера руля.

Шпангоуту, в плоскости которого лежит носовой перпендикуляр, присваивается номер О, мидель-шпангоуту - номер 1 О, последний, 20-й, номер имеет шпангоут, совпадающий с кормовым перпендикуляром.

В отличие от конструктивных шпангоуты на теоретическом чертеже называют теоретическими, а расстояние между ними теоретической шпацией. В районах оконечностей, где форма корпуса изменяется наиболее интенсивно, проводят дополнительные шпангоуты под номерами 1/4, 1/2, 3/4 и 18 1/2, 19 1/2.

Все проекции теоретического чертежа должны быть согласованы - они описывают форму одного и того же корпуса.

Сечение судна ДП дает представление о палубной и килевой линиях, а также о форме фор- и ахтерштевней. Для морских транспортных судов характерна седловатость (подъем в носу и корме) палубы - это снижает заливаемость оконечностей, особенно при движении на волнении. О форме поперечного сечения палубы и днища, а также соединения их с бортами можно получить представление по сечению пл. мш.

4. Масштаб Бонжана

Масштаб Бонжана представляет совокупность зависимостей площадей всех теоретических шпангоутов от их погружения.

Строится масштаб Бонжана на трансформированном контуре сечения корпуса диаметральной плоскостью. Трансформация заключается в том, что для удобства использования, линейные масштабы вдоль осей ох и оу выбираются различными. От вертикальных линий, следов соответствующих теоретических шпангоутов откладывают доведенные до высоты верхней палубы значения площадей шпангоутов.

С помощью масштаба Бонжана можно определить водоизмещение по любую, в том числе и наклонную (для судна, сидящего с дифферентом), ватерлинию. Масштаб Бонжана используется при расчетах непотопляемости, продольного спуска судна, а также для других целей.

Расчеты производятся по правилу вычисления интегралов с переменным верхним пределом с использованием правила трапеций.

Вычисления производят до верхней расчетной ватерлинии, в качестве которой обычно принимается ближайшая к палубе ватерлиния.

Для определения ? до верхней палубы необходимо сосчитать дополнительно:

1. добавку ??, учитывающую площадь шпангоута от верхней расчетной ватерлинии до палубной линии по борту.

2. добавку, учитывающую площадь части шпангоута, образованную погибью бимсов

Масштаб Бонжана вычерчивается на миллиметровке формата А3. Длина диаграммы изображает в определенном масштабе длину судна. Масштаб осадки выбирается таким, чтобы диаграмма заняла почти все поле чертежа.

Масштаб ? необходимо брать стандартным, но сохраняющим точность расчета.

Для определения водоизмещения и абсциссы центра величины судна, имеющего дифферент, необходимо рассчитать осадку носом и кормой.

Отложив Тн и Тк на масштабе Бонжана проводим наклонную ватерлинию и восстанавливаем перпендикуляры из точек пересечения этой ватерлинии со шпангоутами до встречи с соответствующей кривой ?(z). Длины этиз перпендикуляров масштабе будут равны значениям ?i.

5. Остойчивость

Остойчивостью называют способность судна, выведенного из положения равновесия, возвращаться в него после прекращения действия внешних сил.

Как видно из определения, между понятиями остойчивость судна и устойчивость, а также устойчивое равновесие тела в механике просматривается аналогия. Однако имеются и отличия: в остойчивости рассматриваются не только бесконечно малые, но и конечные отклонения от положения равновесия; устойчивость - чисто качественное состояние, а остойчивость имеет меру, наконец, судно может либо обладать остойчивостью (устойчивое равновесие), либо быть неостойчивым (иметь неустойчивое и безразличное равновесие).

Плавающее судно как твердое тело обладает шестью степенями свободы, следовательно можно говорить об отклонениях от положения равновесия по всем этим степеням. Что касается поступательных перемещений вдоль осей ох и оу, а также вращательного относительно оси OZ, то им ничто не препятствует, поэтому не возникает восстанавливающих сил и момента. Таким образом, по отношению к этим отклонениям судно не обладает остойчивостью, а положение равновесия здесь безразличное. Это обстоятельство не грозит судну гибелью, не препятствует его использованию по назначению.

Отклонение вдоль вертикальной оси 0у приводит к появлению (для судна, имеющего запас плавучести) восстанавливающих сил, т. е. такое судно всегда обладает вертикальной остойчивостью. Кроме того, судно должно сопротивляться, противостоять, наклонениям относительно осей ох и ау, в противном случае оно опрокинется, перевернется. Устойчивое равновесие при указанных наклонениях не обеспечивается автоматически, как это было с вертикальной остойчивостью, а требует определенных конструктивных решений. В общем случае характер равновесия зависит от формы корпуса, распределения нагрузки, величины отклонения и т.д. Изучением всех этих вопросов и занимается «статическая остойчивость» (или просто «остойчивость»). В зависимости от того, в какой плоскости происходит наклонение, различают поперечную остойчивость - поворот судна относительно оси ох, сопровождаемый появлением угла крена, и продольную остойчивость - вокруг оси ау, угол дифферента.

Кроме того, выделяют начальную остойчивость, когда углы наклонения малы, и остойчивость на больших углах крена. В первом разделе удается получить достаточно простые аналитические зависимости, определяющие остойчивость судна, второй раздел имеет более общий характер и включает в себя начальную остойчивость как частный случай.

Статическая остойчивость предполагает, что силы или моменты прилагаются к судну в течение достаточно длительного промежутка времени. Если эти условия не соблюдаются и силами инерции пренебрегать нельзя, то вступают в действие законы динамической остойчивости.

6. Непотопляемость

Непотопляемость - способность поврежденного судна сохранять плавучесть и остойчивость, а в ограниченной степени и другие мореходные качества при затоплении одного или нескольких отсеков.

Утрата судном плавучести либо остойчивости означает его гибель; снижение ходовых качеств, маневренности и ухудшение параметров качки не приводят немедленно к катастрофическим последствиям. Этим объясняется предпочтение, отдаваемое при определении непотопляемости, первым двум мореходным качествам. Строго говоря, непотопляемость не является самостоятельным мореходным качеством - фактически это плавучесть и остойчивость поврежденного судна с затопленными отсеками.

Естественно, что абсолютно непотопляемого судна построить невозможно: каждое будет обречено на гибель при достаточно больших повреждениях. Непотопляемость должна обеспечиваться лишь при некоторых условиях, определяемых назначением судна, его размерами, районом плавания и т. д. Так, в наибольшей степени обеспечивается непотопляемость военных кораблей.

Среди гражданских судов в этом плане самые жесткие требования предъявляются к пассажирским судам, от безопасности которых зависит жизнь большого количества людей.

Непотопляемость обеспечивается конструктивными и организационно-техническими мероприятиями, а в случае аварии борьбой команды за живучесть судна.

Основным конструктивным мероприятием, разрабатываемым еще на стадии проектирования судна, является создание достаточного запаса плавучести и правильного его использования при повреждении корпуса. Запас плавучести определяется высотой надводного борта; рациональное подразделение судна на водонепроницаемые отсеки продольными и - поперечными переборками способствует минимальному расходованию этого запаса при повреждении корпуса и затоплении одного или группы помещений.

Гибель судна от потери плавучести происходит в течение длительного (несколько часов, а иногда и суток) периода, что позволяет провести работы по. спасению экипажа и пассажиров. При потере остойчивости судно опрокидывается за считанные минуты, что влечет большое число жертв. Поэтому требуется, чтобы обреченное судно тонуло, не опрокидываясь, т. е. запас плавучести должен расходоваться раньше, чем запас остойчивости. Это обстоятельство также учитывается при выборе размеров и расположения водонепроницаемых отсеков.

Среди основных предупредительных организационно-технических мероприятий по обеспечению непотопляемости судна в первую очередь следует назвать систематическую учебу личного состава; содержание в исправном состоянии всех водонепроницаемых закрытий; периодическую проверку на герметичность всех водонепроницаемых отсеков; строгое соблюдение инструкций по приему и расходованию жидких грузов; поддержание всех технических. средств борьбы за живучесть судна в состоянии, гарантирующем их немедленное использование.

В борьбу за непотопляемость экипаж судна обычно вступает после аварии, при этом он должен определить место и характер повреждения, предотвратить, по возможности, распространение воды, заделать пробоину, в максимальной степени восстановить остойчивость поврежденного судна и спрямить его.

Остойчивость восстанавливается путем откачки фильтрационной воды из помещений, смежных с затопленным отсеком, спуска воды в нижележащие помещения (цистерны), балластировки судна забортной водой. Спрямление судна подразумевает уменьшение (в идеале устранение) крена и дифферента. Мероприятия по спрямлению судна: осушение затопленных отсеков после заделки пробоины, перекачка жидких грузов, контрзатопление неповрежденных отсеков.

Общий принцип, которого придерживаются при борьбе за непотопляемость судна, формулируется следующим образом: восстановление остойчивости и спрямление судна должны проводиться таким образом, чтобы при этом запас плавучести расходовался в наименьшей степени.

Варианты возможных затоплений прорабатываются еще на стадии проектирования судна. На их основе составляется специальная документация в виде, например, «Информации по непотопляемости для капитана», где содержатся рекомендации по наиболее эффективной борьбе за живучесть судна после аварии.

РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ

Таблица 3.1 Расчёт элементов площади ВЛ по правилу трапеций

Таблица 3.4 Поправки к элементам площадей ВЛ

Таблица 3.5 Расчёт полных значений элементов площадей ватерлиний

Таблица 3.6 Расчёт элементов погруженного объёма по правилу трапеций

Таблица 3.8 Расчёт метацентрических радиусов и возвышения поперечного метацентра

Таблица 4.1 Расчёт масштаба Бонжана по правилу трапеций