Характеристика плавучести, остойчивости, прочности и посадки судна в различных условиях эксплуатации

Размещено на http://www.allbest.ru/

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО МОРСКОГО И РЕЧНОГО ТРАНСПОРТА

Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ МОРСКОГО И РЕЧНОГО ФЛОТА ИМЕНИ АДМИРАЛА С.О. МАКАРОВА»

Курсовой проект

по дисциплине «Теория и устройство судна»

Выполнил:

Иванов А.О.

Санкт-Петербург, 2013

Содержание

Введение

1. Расчеты по составлению грузового плана судна

1.1 Определение веса палубного груза

1.2 Проверка посадки судна и построение диаграмм статической и динамической остойчивости

1.3 Проверка начальной остойчивости и посадки судна в конце рейса

2. Определение инерционных характеристик судна

2.1 Расчет скорости полного хода судна при нагрузке без палубного груза

2.2 Расчет пути и времени свободного выбега судна

2.3 Определение пути и времени торможения судна

3. Выбор курса и скорости хода судна в штормовых условиях

3.1 Определение периодов собственных колебаний судна на тихой воде

3.2 Определение резонансных зон бортовой и килевой качки

4. Приближенная оценка общей прочности судна при различных условиях его загрузки

4.1 Приближенное определение величины изгибающих моментов, действующих на корпус судна

4.2 Определение минимального необходимого момента сопротивления корпуса судна относительно палубы (комингса)

4.3 Проверка прочности корпуса судна

5. Определение ледопроходимости судна в мелкобитом льду

5.1 Определение максимально допустимой толщины битого льда

5.2 Расчет ледопроходимости судна при движении в ледовом канале

6. Расчет якорной стоянки

6.1 Выбор рациональной длины вытравленной якорной цепи

6.2 Определение времени снятия судна с якоря

6.3 Расчет усилий, возникающих при стоянке судна на якоре, и определение фактической длины провисающего участка якорной цепи

6.4 Определение угла отклонения якорной цепи в районе клюза от вертикали

Список литературы

Введение

При изучении дисциплины «Теория и устройство судна» студенты второго курса судоводительской специальности изучают характеристики плавучести, остойчивости, прочности и посадки судна в различных условиях эксплуатации, ходовые характеристики судна при плавании судна в штормовых и ледовых условиях, также условия якорной стоянки. В данном курсовом проекте студенты должны произвести расчеты указанных выше характеристик судна при заданных условиях загрузки максимально приближенным к реальным при работе на данном судне.

судно корабль ледопроходимость груз

1. Расчеты по составлению грузового плана судна

1.1 Определение веса палубного груза

Рис. 1. Схема расположения грузовых трюмов для судна первого варианта

Расчеты остойчивости и посадки судна проводятся для двух случаев загрузки. Первый случай соответствует загрузке судна трюмным и палубным грузом, а также необходимым из соображений остойчивости количеством балласта. Второй случай соответствует загрузке только трюмным грузом при приеме необходимого количества балласта. Прием балласта во втором случае определяется, как правило, необходимостью обеспечения должного заглубления гребных винтов или носовой оконечности с целью исключения слеминга.

Распределение заданного груза по трюмам и определение величины палубного груза в первом приближении, выполняемое исходя из условий полного использования грузоподъемности и обеспечения нормальной посадки судна, должно подчиняться следующим уравнениям равновесия:

P0+ РТР +РП =Р

МХ0 +РТРХТР + РПХП = МХ, (1)

где РТР и ХТР - вес и расстояние ЦТ груза в трюмах от миделя; РП и вес и ХП - расстояние ЦТ палубного груза от миделя;

Р и МХ - вес и момент судна в полном грузу;

Р0 и МХ0 -- вес и момент судна порожнем с командой и 100% запасов.

Оценка величины груза на палубе РП без учета балласта:

РП = Р- P0 - РТР

РП =43200 - 13819 - 6870 = 22511 кН

Статические моменты веса судна порожнем с командой и со 100%-ными судовыми запасами относительно плоскости мидельшпангоута МХ0 и основной плоскости MZ0 определяются зависимостями:

МХ0 =РП0Р ХП0Р +РК ХК + Р3 Х3, (2)

МХ0 =12500*(-9,85) + 107*(-15,6) + 1212*(-39,8) = - 173032 кНм

МZ0 = РПОР ZПОР + РК ZK + Р3 Z3 (3)

МZ0=12500*4,72 + 107*5,78 + 1212*1,93 = 61958 кНм

ХПОР и ZПОР; ХК и ZK; Х3 и ZK. - абсциссы и аппликаты ЦТ весов судна порожнем, команды и запасов соответственно.

Вес трюмного груза, определенный в задании, распределяется по трюмам судна студентом, выполняющим курсовой проект, самостоятельно. Перед распределением груза по трюмам целесообразно определить максимальную суммарную вместимость трюмов ?VTPi и потребный объем для размещения трюмного груза

VПОTP = РТР vТР,

где РТР - общее количество трюмного груза,

vTP - его удельный погрузочный объем (м³/т).

Максимальная кубатура грузовых трюмов:

Трюм №1. WMAX = 951 м3.

Трюм №3. WMAX = 1146 м3.

Трюм №2. WМАХ = 1135 м3.

Трюм №4. WMAX = 1064 м3.

Тогда вес в трюмах можно разделить так:

РТР1=1718 кН

РТР2=1718 кН

РТР3=1718 кН

РТР4=1718 кН

А объем груза в трюмах не будет превышать их максимальной кубатуры:

VТР1=788 м³

VТР2=788 м³

VТР3=788 м3

VТР4=788 м³

Координаты центров тяжести груза ХТРI и ZTPI в каждом трюме можно определить по формулам:

ХТРi = ( ХТРi )min + [(ХТРi)max - (ХТРi)min]*[VTPi - (VTPi)min]/[(VTPi)max- (VTPi)min]

ZТРi = ( ZТРi )min + [(ZТРi)max - (ZТРi)min]*[VTPi - (VTPi)min]/[(VTPi)max- (VTPi)min]

Координаты минимумов и максимумов можно определить по таблице 1:

Таблица 1

Объем	Трюм № 1	Трюм № 2	Трюм № 3	Трюм № 4
груза, м3	XТР1, м	ZТР1 м	XТР2, м	ZТР2, м	XТР3, м	ZТР3, м	XТР4, м	ZТР, м
750	33,76	2,96	15,0	2,66	- 4,0	2,66	- 24,5	2,77
800	33,82	3,09	15,0	2,78	- 4,0	2,78	- 24,5	2,90

Распределение груза по трюмам и координаты его ЦТ

Таблица 2

№ трюма	Вес груза в трюме Рi, кН	Объем груза в трюме Vi,, м3	Координаты ЦТ груза	Моменты веса груза
			Xi,, м	Zi,, м	MXi =PiXi, кНм	MZi=PiZi кНм
1	1718	788	33,8	3,05	58068,4	5239,9
2	1718	788	15,0	2,75	25770	4724,5
3	1718	788	-4,0	2,75	- 6872	4724,5
4	1718	788	-24,5	2,86	- 42091	4913,48
Итого	PTP=?Pi 6870	V=?Vi 3153	XTP= (?MXi)/PTP 5,075	ZTP= (?MZi)/PTP 2,85	?PiXi 34875,4	?ZiXi 19602,38

Из приложения 2: МДОП = 200000 кНм

Сумму максимально возможного веса в балластных цистернах и ее статистический момент относительно ОП можно определить из приложения 6:

? МZ Б =33640 кНм ? РБ.Ц.=17536 кН

Следовательно, поделив первую сумму на вторую можно получить координату возвышения ЦТ балласта относительно ОП: ZБ = 1,92 м

Вес балласта в цистернах можно определить по формуле:

РБ = (61958+6870*2,85+ (432000 - 13819 - 6870)*7,5 - 200000)/(7,5 - 1,92) = 9027

Вес палубного груза с учётом потребного балласта: РП= Р - Р0 - Р ТР- Р Б =43200 - 13819 - 6870 - 9027= 13484

Так как 0<РБ ? РБ MAX , следует выбрать из таблицы Приложения 6 конкретные балластные цистерны. Берём балластные цистерны 2,3,8,9,10

Таблица 3. Вес и моменты веса принятого балласта

№	Наименование и расположение цистерн	Вес балласта в цистерне Рi	Статические моменты, кНм
			По длине относительно РiXi	По высоте относительно основной PiZi
1	Балластная цистерна 11-23 шп.	923	42400	1715
4	Балластная цистерна 55-91а шп.	2080	32400	3810
5	Балластная цистерна Л.Б. 55-91а шп.	2080	32400	3810
8	Балластная цистерна П.Б. 94 - 127 шп.	1896	-43750	3470
9	Балластная цистерна Л.Б. 94-127 шп.	1896	-43750	3470
10	Балластная цистерна 127-133 шп.	692	-23500	1350
	Итог	РБ= ?Рi 9567	? РiXi -3800	? PiZi 17625

Следовательно, РП = 13484 кН, а его статистический момент относительно ДП и ОП: МХ Б = 23670 кНм и МZ Б =73358 кНм при ХП = 2,42 м и ZП = 7,5 м.

1.2 Проверка посадки судна и построение диаграмм статической и динамической остойчивости

Таблица 4. Судно с трюмным грузом и 100% запасов

Наименование статей нагрузки	Вес, кН	Плечи весов, м	Статические моменты весов, кНм
		X	Z	МХ	MZ
Судно порожнем	12500	-9,85	4,72	-123125	59000
Судовые запасы	1212	-39,8	1,93	-48238	2339
Команда	107	-15,6	5,78	-1669	618
Груз в трюмах	6870	5,075	2,85	34875,4	19602,38
Балласт	7702	4,21	2,11	-2628	14673
Итого:	28391	-4,95	3,38	-140784,6	96232,38

XG = -4,95м ZG = 3,38м

Таблица 5. Судно с трюмным, палубным грузом и 100% запасов

Наименование статей нагрузки	Вес, кН	Плечи весов, м	Статические моменты весов, кНм
		X	Z	МХ	MZ
Судно порожнем	12500	-9,85	4,72	-123125	59000
Судовые запасы	1212	-39,8	1,93	-48238	2339
Команда	107	-15,6	5,78	-1669	618
Груз в трюмах	6870	5,075	2,85	34875,4	19602,38
Палубный груз	14809	5,96	7,5	88284,6	111067,5
Балласт	7702	-4,21	2,11	-2628	14673
Итого:	43200			-52500	167134

XG = -1,215 м ZG = 3,87 м

Осадка судна с палубным грузом

Из приложения 5 при V=4298,5 м3:

XС= - 0,92 м ; ТСР= 3,59 м ; mД=966,1 кН/см ; ХF= - 1,688 м

1. Рассчитывают дифферентующий момент МДИФ по формуле:

МДИФ=МХ - D*XС

МДИФ= - 52500 - 43200*(-0,92)= - 12756 кНм

где МХ -статический момент водоизмещения относительно миделя; D - водоизмещение, кН; ХС - абсцисса центра величины.

2. Определяют дифферент Д по формуле:

Д=( - 12756)/(100*966,1)= - 0,13 м

где m - момент, дифферентующий на 1 см.

3. Осадка носом

ТН = ТСР + Д (0,5 - ХF/L)

ТН=3,59 - 0,13(0,5 + 1,688/110,15)= 3,52 м

где ТСР - средняя осадка; XF - абсцисса ЦТ площади ватерлинии; L - расчетная длина судна.

4. Осадка кормой

ТК = ТСР - Д (0,5 +ХF/L)

ТК = 3,59 + 0,13(0,5 - 1,688/110,15) = 3,65 м

Осадка судна без палубного груза

Из приложения 5 при V=3325,27 м3:

XС= - 0,75 м ; ТСР= 2,83 м ; mД=904,02 кН/см ; ХF= - 1,50 м

1. МДИФ= - 51097 кНм

2. Д=- 0,565 м

3. ТН= 2,48 м

4. ТК = 2,58 м

Остойчивость судна

ДМ=МZ - МДОП ;

из приложения 2: с палубным грузом без палубного груза

- hДОП = 1,1 м, h= 1,75 м - hДОП = 1,85 м, h= 3,3 м

МДОП = 200000 кНм МДОП = 166000 кНм

Таблица 6.

№			С палубным грузом	Без палубного груза
1	Водоизмещение	D=P	43200	33419
2	Момент	МZ	167134	93777
3	Допустимый момент	МДОП	200000	166000
4	Разность	ДМ	-32866	-72223
5	Допустимая метацентрическая высота	hДОП	0,95	1,1
6	Метацентрическая высота	h	1,75	3,3

ДМ < 0: Отрицательное значение разности ДМ указывает на то, что точка с координатами D1 и MZ1 лежит ниже кривой предельного момента веса и, следовательно, судно в данном состоянии удовлетворяет требованиям остойчивости РМРС в части величины метацентрической высоты.

Расчет плеч статической остойчивости

С палубным грузом (V=4298,5 м3; ZG = 3,87 м)

Таблица 7

Угол крена и°	10	20	30	40	50	60	70	80	90
Sin и °	0,174	0,342	0,5	0,643	0,766	0,866	0,94	0,985	1
Плечо lРиi , м	0,98	1,95	2,82	3,46	3,75	3,72	3,47	3,14	2,77
ZG *sin и 0, м	0,673	1,324	1,935	2,488	2,964	3,351	3,638	3,812	3,87
lBиi= lРиi - ZG* sin и 0i , м	0,307	0,626	0,885	0,972	0,786	0,369	-0,17	-0,67	-1,1

Без палубного груза (V= 3325,27 м3; ZG = 2,81 м)

Таблица 8

Угол крена и°	10	20	30	40	50	60	70	80	90
Sin и °	0,174	0,342	0,5	0,643	0,766	0,866	0,94	0,985	1
Плечо lРиi , м	1,09	2,17	3,15	3,87	4,21	4,16	3,85	3,43	2,95
ZG *sin и 0, м	0,489	0,961	1,405	1,81	2,152	2,433	2,64	2,768	2,81
lBиi= lРиi - ZG* sin и 0i , м	0,601	1,209	1,745	2,06	2,058	1,727	1,21	0,662	0,14



Рисунок 1

- С палубным грузом

- Без палубного груза

Требования РМРС:

1) Максимальное плечо ДСО lMAX должно быть не менее 0,2 м, для судов длиной L>105 м, при и > 30°. В данной работе lMAX = 0,972 для судна с палубным грузом, lMAX = 2,06м для судна без палубного груза.

2) Закат диаграммы должен быть не менее 60°. В данной работе 60° < иЗАК <70° для судна с палубным грузом и 80° < иЗАК <90° для судна без палубного груза.

3) Начальная поперечная метацентрическая высота должна быть положительна. Угол максимума диаграмм иMAX >30°. В данной работе и = 40° для судна с палубным грузом и и = 45° для судна без палубного груза.

Расчет диаграммы динамической остойчивост

Таблица 9. С палубным грузом

и°	lB	?(2)попарно	?(3)сверху	ld=0,08725*(4)	АB = D * (5)
0	0	0	0	0	0
10	0,307	0,307	0,307	0,0268	1157,76
20	0,626	0,933	1,24	0,108	4665,6
30	0,885	1,511	2,751	0,24	10368
40	0,972	1,857	4,608	0,402	17366,4
50	0,786	1,758	6,366	0,555	23976
60	0,369	1,155	7,521	0,656	28339,2
70	-0,17	0,199	7,72	0,674	29098,224

Таблица 10. Без палубного груза

и°	lB	?(2)попарно	?(3)сверху	ld=0,08725*(4)	АB = D * (5)
1	2	3	4	5	6
0	0	0	0	0	0
10	0,601	0,601	0,601	0,052	1737,79
20	1,209	1,81	2,411	0,21	7017,99
30	1,745	2,954	5,365	0,468	15640,1
40	2,06	3,805	9,17	0,8	26735,2
50	2,058	4,118	13,288	1,16	38766,04
60	1,727	3,785	17,073	1,491	49827,73
70	1,21	2,937	20,01	1,746	58349,57
80	0,662	1,872	21,882	1,909	63796,87
90	0,14	0,802	22,684	1,979	66142,18

Рисунок 2

- С палубным грузом

- Без палубного груза

Требования ИМИ:

1) Плечо динамической остойчивости ld при угле крена и = 40° должно быть не менее 0,09 м. В данной работе ld = 0,402 м для судна с палубным грузом и ld = 0,8 м для судна без палубного груза.

2) Плечо динамической остойчивости ld при угле крена и = 30 0 должно быть не менее 0,055 м. В данной работе ld = 0,24 м для судна с палубным грузом и ld = 0,468 м для судна без палубного груза,

3) Разность плеч динамической остойчивости ld при углах крена и = 40° и и = 30° должна быть не менее 0,03 м. В данной работе Дld = 0,162 м, для судна с палубным грузом и Дld =0,332 для судна без палубного груза.

4) Плечо статической остойчивости при угле крена и ? 30° должно быть не менее 0,2 м, хотя бы в одной точке DCO.

5) Максимум DCO должен быть при угле крена и ? 30°. В данной работе и = 40° для судна с палубным грузом и и = 45° для судна без палубного груза.

6) Для грузовых и пассажирских судов метацентрическая высота должна быть h >0,15 м. В данной работе h = 1,75 м для судна с палубным грузом и h = 3,3 м для судна без палубного груза.

1.3 Проверка начальной остойчивости и посадки судна в конце рейса

Расчеты плавучести и остойчивости при составлении грузового плана следует закончить проверкой начальной остойчивости и посадки судна в конце рейса во время подхода к порту назначения. Предполагается, что в течение рейса израсходовано 90 % запасов и для компенсаций потери остойчивости принят балласт в цистерны. Изменение средней осадки в конце рейса в сантиметрах можно определить по формуле:

ДТР = (РЗР + РБР)/q

где РЗР < 0 - вес израсходованных запасов;

РБР > 0 - вес принятого балласта для компенсации потери остойчивости и обеспечения нормальной посадки судна к концу рейса;

q - вес, приходящийся на 1 см осадки.

Вес запасов, израсходованных к концу рейса, находится из выражения:

РЗР = - 0,9 РЗ

РЗР = - 0,9*1212 = - 1091 кН

где РЗ - вес запасов, заданный в таблице.

Вес балласта РБР в конце рейса принимается возможно наиболее близким к весу израсходованных запасов по Приложению 6. В моем случае РБР = 0 кН

Из приложения 5: q = 125,7 кНм/см.

Следовательно, ДТР = - 1091/125,7 = - 8,7 см.

Изменение дифферента ДР в сантиметрах к концу рейса находится из выражения:

ДР = - 1091*(- 39,8 - 1,49)/901 = 50 см = 0,46 м.

где ХF - расстояние центра тяжести площади ватерлинии от плоскости мидель-шпангоута;

ХЗР и ХБР - абсциссы центров тяжести израсходованных запасов (принимается ХЗР = Х3) и принятого балласта соответственно.

Возвышение ЦТ израсходованных запасов будет равно Z3P = 1,1*Z3 (Z3 - возвышение ЦТ запасов в начале рейса, которое определяется по табл.).

Z3P = 1,1*1,93 = 2,12 м.

Изменение метацентрической высоты в конце рейса находится из выражения:

ДhP = 0,09 м

где P1 ,Т и h1 - соответственно водоизмещение, осадка и метацентрическая высота судна в начале рейса;

ZЗР и ZБP - возвышение ЦТ израсходованных запасов и принятого балласта соответственно;

Тогда величина начальной поперечной метацентрической высоты в конце рейса будет h = h0 + ДhP.

h = 3,3 + 0,09 = 3,4 м

Посадка судна, т.е. осадка носом ТН и кормой ТК в конце рейса рассчитывается по формулам:

ТН =2,54 - 0,087 + 0,0026 = 2,36 м

ТК = 3,1 - 0,087 - 0,0024 = 3,0 м.

В этих формулах ТНО и ТКО осадки носом и кормой (в метрах) соответственно в начале рейса.

2. Определение инерционных характеристик судна

2.1 Расчет скорости полного хода судна при нагрузке без палубного груза

Для того чтобы определить инерционные характеристики судна при свободном выбеге и активном торможении с полного переднего хода, предварительно необходимо найти величины скорости полного переднего хода и сопротивления воды движению судна R1 при нагрузке без палубного груза, рассчитанной в предыдущем разделе курсового проекта.

Исходные данные:

Диаметр Г.В. - DВ = 1,6 м

Шаговое отношение Г.В. - (РР / DВ) = 1,2

Частота вращения гребного вала - n0 = 5,5 с - 1

Коэффициент попутного потока при движении прямым курсом -W0 = 0,18

Модифицированная относительная поступь - JEH = 0,79

Коэффициент, который практически не зависит от шагового или дискового отношения - КК л = 3,6

Число движителей - ZP = 2

Плотность воды - с = 1,025 т/м3

Коэффициент засасывания при скорости судна v0 - t0 = 0,15

Скорость судна в полном грузу - v0 = 5,5 м/с

Вычисления:

1. Шаг Г.В.

РР = (РР / DВ) РР = 1,92 м

2. Скорость потока, набегающего на движитель при скорости судна v0

vA0 = v0 (1- W0) = 5,5(1 - 0,18) = 4,51 м/с

3. Модифицированная относительная поступь при скорости судна v0

JEO = n0 РР / (vAO 2 + n0 2Р0 2)1/2 = 5,5 * 1,92( 4,512 + 5,52*1,922)1/2 = 0,92

4. Модифицированный коэффициент упора движительного комплекса при скорости судна v0

ККО = КК л (JEO - JEH) = 3,6(0,92 - 0,79) = 0,468

5. Сопротивление воды при скорости судна v0 в полном грузу

R0 = ZP ККО ( l - t0) с DВ 2 ( vAO 2 + n0 2 DB Рр)/2 = 2*0,468(1 - 0,15) 1,025*1,62(4,512 + 5,52*1,6*1,92)/2 = 118,25 кН

6. Скорость судна, при которой упор движителя оказывается равен 0

vН = n0 РР (1- J2 EH)1/2 / (1- W0) JEH = 5,5 * 1,92(1- 0,792)1/2 / (1 - 0,18) 0,79 = 10 м/с

7. Сопротивление воды при скорости судна v0 без палубного груза

д = V/LBT ; д0 = 0,836 ; д1 = 0,821

R01 =118,25 * (33419 / 43200)0,667 * (5,1 + 0.074*(110,15 / 2,83) - 0,4*0,821) / (5,1 + 0.074*(110,15 / 3,59) - 0,4*0,836) = 108,31 кН

8. Скорость судна при водоизмещении D1 без палубного груза

v1 = 5,5 / (108,31/118,25(1 - 5,5 /10) + 5,5 /10) = 5,72 м/с

9. Сопротивление воды при скорости судна v1 без палубного груза

R1 = R01 (v1 / v0)2 = 117,14 кН

2.2 Расчет пути и времени свободного выбега судна

Процесс торможения главных двигателей судна при торможении и последующем развитии оборотов заднего хода упрощенно можно разбить на два периода. В течение каждого периода режим работы движителей приближенно можно считать постоянным, а коэффициент засасывания равным нулю.

1 период - от подачи команды с мостика до остановки гребных винтов и развития полного реверсивного момента двигателей. Продолжительность этого периода, указанная в задании на курсовой проект, зависит от типа энергетической установки, наличия дистанционного автоматического управления и пр.

2 период - период торможения - наступает тогда, когда гребные винты начинают вращаться в направлении обратного хода, и заканчивается в момент остановки судна.

Исходные данные:

Модифицированная относительная поступь свободного вращения - JE2 = 0,700.

Сопротивление воды - R1 = 117,14 кН

Шаг Г.В. - РР = 1,92 м

Коэффициент попутного потока при движении прямым курсом -W0 = 0,18

Коэффициент присоединенной массы - К11 = 0,05

Водоизмещение без палубного груза - D1 = 33419 кН

Число движителей - ZP = 2

Модифицированный коэффициент упора движительного комплекса ККТ = - 0,5

Время реверсирования двигателя - t1 = 15 c

Скорость судна при водоизмещении D1 без палубного груза - v1 = 5,72 м/с

Плотность воды - с = 1,025 т/м3

Вычисления:

1. Модифицированная относительная поступь в процессе первого периода

JEТ = JE2 - 0,3 = 0,7 - 0,3 = 0,4

2. Коэффициент пропорциональности, связывающий скорость судна и частоту вращения гребного винта

СН = (1 - 0,18)*0,4/1,92*(1 - 0,42)1/2 = 0,203 1/м

3. Масса судна без палубного груза

m = D1 / 9,81 = 3407 т

5. Коэффициент

С = 1/3577(3,65 + 1,312(0,67 + 0,127)) = 0,0013

5. Скорость в конце первого периода реверса

v1K = v1 / (1 + C v1 t1) = 5,72 / 1 + 0,11 = 5,14 м/с

6. Путь, проходимый за первый период

S1 = (1 / C) ln(1 + C v1 t1) = (1/0,0013) 0,111 = 85,3 м

7. Время свободного выбега

tВЫБ =(1/0,0013)((1 / 0,05*5,72) - 1/5,72) = 2714 с

8. Путь свободного выбега

SВЫБ = (1 / C) ln(1 + C v1 tВЫБ) = (1/0,0013) 3,049 = 2345 м

2.3 Определение пути и времени торможения судна

Исходные данные:

Номинальная мощность двигателя - PSO = 485 кВт

Скорость судна при водоизмещении D1 без палубного груза - v1 = 5,72 м/с

КПД валопровода - зВ = 0,97

Скорость в конце первого периода реверса - v1K = 5,14 м/с

Модифицированные коэффициенты упора и момента движительного комплекса на швартовых испытаниях заднего хода - КК2= -0,5 и KQ2= -0,08

Частота вращения гребного вала - n0 = 5,5 с - 1

Число движителей - ZP = 2

Шаг Г.В. - РР = 1,92 м

Масса судна без палубного груза - m = 3407 т

Сопротивление воды при скорости судна v1 без палубного груза - R1 =117,14 кН

Время реверсирования двигателя - t1 = 15 c

Коэффициент присоединенной массы - К11 = 0,05

Путь, проходимый за первый период - S1 = 85,3 м

Вычисления:

1. Номинальный момент на гребном валу

Q0 = PSOзВ / 6,28 n0 = 485*0,97 / 6,28*5,5 = 13,6 кНм

2. При экстренном торможении судна основным является второй период реверса, наступающий в тот момент, когда гребные винты начинают вращаться в направлении заднего хода. Коэффициент упора движителей на этом режиме остается практически постоянным и равным значению ZРКК2 на швартовых при работе гребных винтов на задний ход, а коэффициент засасывания приближенно равен нулю. Однако, поскольку частота вращения гребных винтов при этом зависит от величины момента Q ? 0,85Q0, подводимого к гребному винту, то и суммарный полезный упор на этом режиме:



ZP TE2 = 0,85*2*(-0,5)* 13,6 / (-0,08*1,92) = 75,16 кН

3. Коэффициенты

а = (5,14/5,72) (117,14/75,26)1/2 = 1,11

b = (117,14*75,16)1/2/(3407(1+0,05) 5,45) = 0,00458 1/с

4. Время торможения

t2 = (1/b) arctg(a) = (1/0,00458) 0,826 = 180,3 c

5. Путь торможения

S2 = (v1K/a b) ln(1 + a2)1/2 = (5,14/1,11*0,00458) 0,3987 = 409,8 м

Полное время и путь торможения определяются в виде сумм соответствующих величин для двух периодов торможения:

tT = t1 + t2 = 15 + 180,3 = 195,3 c = 3 мин 25 сек

ST = S1 + S2 = 85,3 + 409,8 = 495,1м

В соответствии с требованиями части 15 Правил РРР способность судна к экстренному торможению считается удовлетворяющей требованиям, если путь торможения ST не превосходит допускаемого значения S , определяемого по формуле:



S = 458,227 + 1,28*110,15 = 599,22 м

Путь торможения судна удовлетворяет требованиям части 15 Правил РРР, так как ST < S.

3. Выбор курса и скорости хода судна в штормовых условиях

3.1 Определение периодов собственных колебаний судна на тихой воде

Наиболее неблагоприятные условия при штормовом плавании наступают для судна в том случае, если периоды собственных колебаний при бортовой или килевой качке лежат в пределах 0,7.....1,3 кажущегося периода волны.

Период свободных колебаний судна при бортовой качке приближенно вычисляется по «капитанской» формуле, которая впервые предложена У. Ховгардом.

Tи = c B/(h0)1/2

где с - 0,74....0,86 - эмпирический коэффициент, зависящий от типа судна и состояния его загрузки; В - ширина судна, м.

Период собственных колебаний при бортовой качке для судов сметанного плавания, указанных в первом и во втором вариантах задания, может быть определен по формуле:

где h1 - начальная метацентрическая высота, которая соответствует рассматриваемому состоянию загрузки судна (без палубного груза); m1 - коэффициент, определяемый по табл. 3.4.1. в функции величины (h1B)/(V1/3ZG).

(h1B)/(V1/3ZG) = (3,3*13)/(3325,271/3*2,81) = 1,0228

Следовательно, m1 = 0,76.

Тогда период колебаний при бортовой качке Tи = 6,28*3,31/2/(3,13*0,76) = 4,7958 с

Период килевой качки судна можно рассчитать по формуле:

Главный момент инерции массы судна IY в т*м2 относительно поперечной оси OY определяется из выражения:

IY = 0,07б Р1 L2 / g = 0,07*0,884*33419*110,152 / 9,8 = 2560275,4 т*м2

где б - коэффициент полноты площади действующей ватерлинии, (определяется по Приложению 5), а g = 9,8 - ускорение силы тяжести м/с2.

Продольная метацентрическая высота в метрах может быть подсчитана по формуле:

Нш = 100 L mД / P1 = 100*110,15*901,2/33419 = 297,04 м

где mД - момент, дифферентующий на 1 см.

Следовательно, период килевой качки судна равен:

Тш = 6,28 (2*2560275,4/ (33419*297,04))1/2 = 4,51 с

3.2 Определение резонансных зон бортовой и килевой качки

Вынужденное изменение курса судна и режима работы главных двигателей для уменьшения воздействия шторма обычно выполняют так, чтобы избежать совпадения кажущегося периода волны и периода собственных колебаний судна.

Использование универсальной номограммы качки Макова позволяет определить наиболее неблагоприятные курсовые углы судна к волне и его скорость.

Угол ц определяется по заданному истинному курсу судна и направлению, откуда приходят волны.

Относительная потеря скорости судна на волнении определяется по таблице или по графику Приложения 4 в зависимости от курсового угла и отношения высоты волны 3% - обеспеченности к длине судна между перпендикулярами L.

Истинный курс 100°

Направление волн N

Курсовой угол ц = 35°

V1 = 5,72 м/с =11,12 узлов; h3%= 2,4 м; НФ = 8 м

Относительная потеря скорости на волнении Vs/V1= 0,56

Следовательно, Vs= 6,26 узлов

Судно не попадает в резонансную зону, скорость и курс менять не нужно.

4. Приближенная оценка общей прочности судна при различных условиях его загрузки

4.1 Приближенное определение величины изгибающих моментов, действующих на корпус судна

Для приближенного определения величины изгибающего момента может быть использована «Методика приближенного определения изгибающего момента на тихой воде», изложенная в Приложении I Правил Регистра СССР 1970 года. Однако, вследствие специфики архитектурно-конструктивных типов судов смешанного плавания, расчет изгибающих моментов по этой методике целесообразно вести по следующей схеме, учитывающей рекомендации работы.

Вычисление изгибающих моментов на тихой воде.

исходные данные: длина судна L = 110,15 м;

погрузка одним краном. Порядок 2 - 4 - 3

Таблица 4.1

Статья нагрузки	Pi , кН		Mi= Ki Pi L, кНм
Вес судна порожнем без главной силовой установки, но с валопроводом и винтами	P1 =11100	K1 = 0,295 д0,25 =0,279	М1 =0,5 K1 P1L = 0,5*0,279*11100*110,15 = 170561,77
Вес машинной установки с оборудованием МО, но без валопровода и винтов	P2= РПОР - P1 = 12500 - 11100 = 1400	K2 = 0,118	М2 =0,5 K2 Р2 L = 9099.9
Веса, входящие в дедвейт	Pi, кН	Отстояние от миделя |Хi|, м	Pi|Хi|, кНм
Первый этап
Загружен трюм № 4 Судовые запасы Команда и снабжение Итого дедвейт Водоизмещение с грузом в одном трюме МТВГ=М1+М2+М3 -М4= =170561,77+88428,85+77535,9 - 236326 = 100200,52 кНм	РТР2 = 6570 РЗ = 1212 РК = 107 ? Pi =8330 D = P1+P2+? Pi =20830	|15| |- 39,8| |- 15,6| К4 = 0,0315 +0,088*0,814 = 0,103	105165 48237,6 1669,2 ? Pi|Хi| = 155071,8 М3 = 0,5? Pi|Хi|= = 77535,9 М4=К4DL=0,103*20830*110,15= 236326
Второй этап
Загружен трюм № 2 Загружен трюм № 4 Судовые запасы Команда и снабжение Итого дедвейт Водоизмещение с грузом в двух трюмах МТВГ=103125,58 кНм	РТР2 = 7011 РТР4 = 6570 РЗ = 1212 РК = 107 ? Pi =14900 D =27400	|15| |- 24,5| |- 39,8| |- 15,6| К4 =0,104	105165 160965 48237,6 1669,2 ? Pi|Хi| =316036,8 М3 =158018,4 М4=313883,44
Третий этап
Загружен трюм № 2 Загружен трюм № 4 Загружен трюм № 3 Судовые запасы Команда и снабжение Итого дедвейт Водоизмещение с грузом в трех трюмах МТВГ=43836,49 кНм	РТР2 = 6570 РТР4 = 6570 РТР3 = 7011 РЗ = 1212 РК = 107 ? Pi =21911 D =34411	|15| |- 24,5| - |- 39,8| |- 15,6| К4=0,1042	105165 160965 43568,4 48237,6 1669,2 ? Pi|Хi| =359605,2 М3 =179802,6 М4=394956,73
Расчет балластировки судна
Судно порожнем Судовые запасы Команда и снабжение Груз в трюме № 2 Груз в трюме № 4 Груз в трюме № 3 Итого	12500 1212 107 7011 6570 7011 34411	- 9,85 -39,8 - 15,6 15 - 24,5 - 4,0	-123125 -48237,6 -1669,2 105165 -160965 -28044 -256875,8
ТК =3,9 и ТН =1,75 - такая погрузка является неблагоприятной, т.к. судно имеет слишком большой дифферент на корму. Нужно принять балласт в носовые балластные цистерны.
Загружен трюм № 2 Загружен трюм № 4 Загружен трюм № 3 Принят балласт (цистерны № 2,3,4,5) Судовые запасы Команда и снабжение Итого дедвейт Водоизмещение с грузом в трех трюмах МТВ= 43443,02 кНм	РТР2 = 6570 РТР4 = 6570 РТР3 = 7011 РБ = 7378 РЗ = 1212 РК = 107 ? Pi = 29289 D = 41789	|15| |- 24,5| - |- 39,8| |- 15,6| К4=0,1047	105165 160965 43568,4 173180 48237,6 1669,2 ? Pi|Хi| = 532785,2 М3 = 266392,6 М4=481940,2

При принятом балласте осадка судна такова: ТК = 3,65 м и ТН = 3,4.

МMAXТВГ=103125,58 кНм и МТВ=43443,02 кНм положительны, следовательно судно подвергается перегибу.

4.2 Определение минимального необходимого момента сопротивления корпуса судна относительно палубы (комингса)

Расчет выполняется в соответствии с «Правилами классификации и постройки морских судов» 1981 г. Регистра СССР. Момент сопротивления палубы для верхней кромки палубного стрингера у борта или при наличии неразрезных продольных комингсов грузовых люков - для верхней кромки продольного комингса в средней части судна должен быть не менее большей из величин, определяемых по формулам:

W ПТРЕБ = 0,0847 К1| МMAXТВГ | з

К1 = 62 - при наличии неразрезных продольных комингсов грузовых люков

По таблице 3.5.4 и 3.5.5 з = 0,85 ц = 0,556 и К0 = 0,0206

(0,102*43443,02)/(13*110,152,3) < (2 - 3,525/110,15/0,05) *0,556*0,0206

0,0069 < 0,0156

Следовательно, К2=0,9*(2 - 3,525/110,15/0,05)*0,556*0,0206+

+(0,102*43443,02)/(13*10*110,152,3) = 0,0147

При перегибе судна на тихой воде коэффициент К3 =0,0325

1) W ПТРЕБ = 62*[ 0,0147 + (2 - 3,525/110,15/0,05) *0,556*0,832*0,0325]*13*110,152,3 *0,85 = 1197295 см3

2) W ПТРЕБ = 0,0847*62*103125,58*0,85= 460320,62 см3

4.3 Проверка прочности корпуса судна

Проверка прочности судна заключается в сопоставлении требуемого момента сопротивления WTPEБ определенного расчетом по формулам (1) и (2) с фактическим значением WФ. Фактический момент сопротивления поперечного сечения корпуса относительно палубы составляет: для судна варианта 1 - 1155242 см³.

По первой формуле прочность не обеспечена, а по второй обеспечена.

5. Определение ледопроходимости судна в мелкобитом льду

5.1 Определение максимально допустимой толщины битого льда

Для вариантов судов, приведенных в задании, основным режимом работы в условиях продленной навигации является движение судна за ледоколом в канале мелкобитого льда. Максимально допустимая толщина битого льда для данного судна определяется внешними условиями (степень сплоченности и разрушенности льда, относительная ширина канала), и характеристиками самого транспортного судна (прочность корпуса, мощность силовой установки, главные размерения).

Сплоченность льда характеризует относительную величину площади водной поверхности, покрытой льдом. Сплоченность льда измеряется в баллах от 0 до 10. Так, например, поверхность акватории на 80% покрытая льдом характеризуется 8 баллами. Сплоченность льда в 0 баллов соответствует чистой воде, а в 10 баллов - поверхности на 100% покрытой льдом.

Разрушенность льда характеризует состояние и структуру льда, а следовательно и его прочность. Разрушенность также измеряется в баллах от 0 (самый прочный зимний лед) до 5 баллов (весенний лед).

Для грузовых судов типа «Сормовский» и «Балтийский» максимально допустимая толщина битого льда для заданной мощности силовой установки и при скорости судна 2 км / ч может быть определена по формуле:

h= PS з / 0,491 B (0,707 (L B)1/2 + 1) = 2*485*0,077 / 0,491*13(0,707 (110,15 * 13)1/2 + 1) = 0,42 м

где h - толщина битого льда, м;

PS - суммарная эффективная мощность силовой установки судна, кВт;

L и В - длина и ширина судна соответственно, м;

з - условный пропульсивный коэффициент при скорости хода 2 км/ч.

5.2 Расчет ледопроходимости судна при движении в ледовом канале

Расчет проходимости судна при движении в ледовом канале производят для случая загрузки без палубного груза.

Исходные данные:

Отношение величины суммарного упора на швартовых к величине упора на тихой глубокой воде - а = 1,55

Длина судна - L = 110,15 м

Ширина судна - В = 13 м

Суммарная эффективная мощность силовой установки судна - PS = 970 кВт

Условный пропульсивный коэффициент - з = 0,077

Сплоченность - S = 8 баллов

Разрушенность льда - m = 0 - 1 баллов

Относительная ширина канала - nK = 3

Коэффициенты - Km = 1,0 и Kn = 4,0

Скорость движения судна на чистой глубокой воде - v0 = 5,45 м/с

АН = PS з 103/ 5,44 S2 В а = 970 * 0,077 * 1000 / 5,44 * 64 * 13 * 1,55 = 10,65

ВН = 0,0016 S2 Km Kn (L B)1/2 = 0,0016 * 64 * 1,0 * 4,0 (110,15 * 13)1/2 = 15,5

Вычисления:

Таблица 5.1

vОТН	v2ОТН	(а-1)(1)	а-(3)-(2)	Ан(4)	1,8v0(1)	ВН+(6)	h = (5)/(7)	vЛ = v0(1)
1,0	1,0	0,55	0	0	9,99	25,49	0	5,55
0,8	0,64	0,44	0,47	5,01	7,992	23,492	0,213	4,44
0,6	0,36	0,33	0,86	9,159	5,994	21,494	0,426	3,33
0,4	0,16	0,22	1,17	12,46	3,996	19,496	0,639	2,22
0,2	0,04	0,11	1,4	14,91	1,998	17,498	0,852	1,11

Построение графика кривой ледопроходимости судна

Рисунок 5.1

6. Расчет якорной стоянки

6.1 Выбор рациональной длины вытравленной якорной цепи

Рациональное значение величины вытравленной якорной цепи с учетом глубины места стоянки, держащей способности якоря и веса погонного метра якорной цепи следует определять по формуле:

где LОРТ - оптимальная длина провисающего участка якорной цепи, то есть от бортового клюза до места касания цепи о грунт, м;

h - высота оси клюза над грунтом, м;

К - коэффициент держащей силы якоря, т.е. отношение держащей силы якоря к его весу.

GЯК - вес носового якоря, Н;

q - вес одного погонного метра якорной цепи, Н/м.

Высота оси клюза над грунтом в метрах определяется в виде суммы

h = h1 +2,5 = 40 + 2,5 = 42,5 м

где h1 - глубина места стоянки в метрах, заданная в таблице.

Вес одного погонного метра якорной цепи определяется формулой

q = КЦ d2 g 10- 2 = 2,3*432 *9,81/100 = 417,2 Н/м

где КЦ - коэффициент, который для цепей с распорками (контрфорсами) принимается равным 2,3;

d - калибр цепи в миллиметрах, задан в таблице;

g = 9,81 м/с² - ускорение силы тяжести.

Средняя удельная держащая способность якорей Холла на единицу веса для илистого грунта К = 2,5.

LОРТ = (2* 42,5*2,5*19600/417,2 + 42,52)0,5 = 131,34 м

LOPT2=(2*42,5*2,5*19600/75,85+42,52 )0,5=238,15

Полную длину вытравленной якорной цепи LП следует определять по формуле

LП = LОРТ + а = 131,34 + 25 = 156,34 м

LП2= LОРТ + а = 238,12+ 25 =263,12 м

где а - длина участка якорной цепи, лежащей на грунте.

6.2 Определение времени снятия судна с якоря

Процесс снятия судна с якоря можно разделить на следующие периоды:

- подготовительный;

- период установившегося движения судна (время от начала подъема якорной цепи до подъема последних звеньев цепи, лежащих на дне);

- период подтягивания судна к якорю (окончание этого периода наступает в тот момент, когда цепь займет вертикальное положение);

- период отрыва якоря от грунта;

- период подъема якоря от грунта до клюза;

- обмыв якоря;

- уборка якоря в клюз и крепление по-походному.

Продолжительность первого периода от момента отдачи команды "Приготовиться к съемке с якоря" до доклада о готовности для грузовых судов составляет

t1 = 4 мин.

Продолжительность второго периода установившегося движения судна в минутах

t2 = а/vСР = 25/10 = 2,5 мин

где vСР = 10 м/мин - средняя скорость подъема якоря.

Продолжительность подтягивания судна к якорю в минутах определяется из выражения

t3 = (LОРТ - h) / vСР = (131,34 - 42,5)/10 = 8,884 мин

Продолжительность отрыва якоря от грунта t4 = 1 мин.

Продолжительность подъема якоря от грунта до клюза в минутах

t5 = h /vСР =42,5/10 = 4,25 мин

Продолжительность обмыва якоря t6 = 3 мин.

Продолжительность уборки якоря и крепления по-походному t7 = 1,5 мин.

Суммарное время снятия судна с якоря в минутах:

T = t1+t2 + t3 + t4 + t5 + t6 + t7 = 4 +2,5 +8,884 + 1 + 4,25 + 3 + 1,5 = 25,134 мин

6.3 Расчет усилий, возникающих при стоянке судна на якоре, и определение фактической длины провисающего участка якорной цепи

Величина фактически провисающего участка якорной цепи LФ в метрах при весе якоря, обеспечивающем стоянку, определяется по формуле:

LФ =(2 РВН h/q +h2)0,5

где РВН - внешняя нагрузка, действующая на судно.

Внешняя нагрузка слагается из воздействия течения, ветра, соскальзывания судна под уклон русла и удара волн. Расчет производится для наиболее неблагоприятного случая, то есть для момента, когда все эти силы совпадают по направлению и результирующая сила достигает своего наибольшего значения.

Расчеты производятся для судна без палубного груза.

Исходные данные:

Длина судна - L = 110,15 м

Ширина судна - В = 13 м

Осадка - Т = 2,83 м

Объемное водоизмещение - V = 3325,27 м³

Скорость течения - С = 1 км/ч = 0,28 м/с

Коэффициенты - КТ = 9,81 и fT = 0,18

Среднее давление ветра - qB = 44 H/м²

Угол между направлением действия ветра и диаметральной плоскостью судна - вВ = 30°

Коэффициент воздушного сопротивления UB = 0,8

Площадь проекции надводной части судна на диаметральную плоскость - FДП = 441 м²

Площадь проекции надводной части судна на плоскость миделя - F0 = 73,9 м2

Сила соскальзывания под уклон русла - РС = 0

Плотность морской воды - с = 1,025 т/м3

Высота волны - hB = 2,8 м

Вычисления:

1. Относительная длина судна

Ш = L/ V1/3 = 110,15/3325,271/3 = 7,38

2. Относительная смоченная поверхность

ЩОТН = 2,24 Ш0,56 + 0,33(В/Т - 2) = 2,24*7,380,56 + 0,33(13/2,83 - 2) = 7,72

3. Площадь смоченной поверхности корпуса судна

Щ = 1,02 ЩОТН V2/3 = 1,02*7,72*3325,272/3 = 1754,29

4. Сила сопротивления корпуса судна течению

РТ = КТ fT Щ С2 = 9,81*0,18*1754,29*0,282 = 242,86 Н

5. Сила давления воздушного потока на надводную часть судна

РВ = qB (FДП sin вВ + F0 cos вВ) UB = 44(441*0,5 + 73,9*0,866) 0,8 = 10014,31 Н

6. Сила удара волн

РВОЛН = 0,185 с hB В = 0,185*1,025*2,8*13 = 6,9 кН = 6900 Н

7. Внешняя нагрузка

РВН = РТ + РВ + РС + РВОЛН = 242,86 + 10014,31 + 0 + 6900 = 17157,17 Н

8. Величина фактически провисающего участка якорной цепи

LФ =(2 РВН h/q +h2)0,5 = (2*17157,17*62,5/417,2 + 62,52)0,5 = 95,115 м

Угол отклонения якорной цепи на выходе из бортового клюза от вертикали характеризует степень ее натяжения. С увеличением натяжения якорной цепи угол отклонения г будет увеличиваться, достигнув максимального значения, когда усилие цепи в месте касания с грунтом будет равно держащей силе якоря. При дальнейшем увеличении внешних сил якорь будет "ползти". Как известно, синус угла отклонения якорной цепи от вертикали на выходе ее из бортового клюза равен отношению усилия в якорной цепи в месте касания с грунтом ТГР к усилию в цепи у клюза ТКЛ:

Тогда угол отклонения якорной цепи от вертикали определится формулой:

Рисунок 6.1

На рисунке 6.1 показана схема якорной цепи при ее выходе из бортового клюза и направление силы F по отношению к вертикали.

В работе рассчитываются два значения угла г. Первое значение должно соответствовать длине цепи LФ. Второе значение угла рассчитывается для случая, когда он достигает максимального значения при LФ = LОРТ, то есть когда практически усилие в цепи на месте касания с грунтом будет равно держащей силе якоря.

г1 = arc sin [(95,1152 - 62,52)/( 95,1152 + 62,52)] = arc sin 0,3969 = 22,38°

г2 = arc sin [(136,342 - 62,52)/( 136,342 + 62,52)] = arc sin 0,653 = 39,75°

Список литературы

1. М.И. Войников и Ю.Д.Павлов. «Теория и устройство судна: учебное пособие» / М.И. Войников - СПГУВК, СПб, 2010.

Размещено на Allbest.ru