Рис. 52. Цилиндрические носовые обводы

Проектирование обводов кормовой оконечности связано с выбором формы кормовой ветви КВЛ, угла притыкания КВЛ к ДП (угла схода КВЛ), формы шпангоутов и типа кормы.

Кормовую ветвь КВЛ профилируют так, чтобы предотвратить отрыв пограничного слоя. По этой причине не рекомендуется применять вогнутых ватерлиний, а угол схода КВЛ стараются удержать в пределах 30°. Угол схода ватерлиний в районе выхода гребного винта должен быть не больше 19 - 20°. Для судов с транцевой кормой угол схода КВЛ может быть увеличен до 35 - 45°, что является следствием пологих батоксов.

Форма кормовых шпангоутов во многом зависит от относительной скорости судна.

Для тихоходных одновинтовых судов рекомендуется применять V-образные шпангоуты, для двухвинтовых U-образные (рис. 53). Для быстроходных судов (Fr = 0,5 - 0,6) рекомендуется делать пологие батоксы в кормовой оконечности. Это расширяет верхние ВЛ, корма превращается в транцевую и шпангоуты приобретают U-образную форму.

Выбор типа кормы для современных судов в большинстве случаев ограничивается рассмотрением двух вариантов - транцевой или крейсерской. Транцевая корма позволяет упростить технологию постройки судна, уменьшить вибрацию свеса кормовой оконечности, увеличить площадь верхней палубы в корме.

Но для предотвращения повышения сопротивления счйтается недопустимым значительное погружение транца в воду. Крейсерская корма увеличивает длину подводной части, за счет чего удаётся снизить сопротивление. Кроме того, крейсерская корма оказывает благоприятное влияние на работу гребного винта.

Для современных судов характерно применение так называемой открытой кормы с подвесным рулем (рис. 54). Ее достоинство заключается в повышении пропульсивного коэффициента за счет отсутствия пятки ахтерштевня, что обеспечивает более плавное набегание воды на диск винта. Для ледокольно-транспортных судов открытая корма не подходит из-за меньшей прочности крепления баллера руля, по сравнению с закрытой кормой.

Рис. 54. Формы кормы: а - открытая транцевая,

б - закрытая крейсерская

Разработка теоретического чертежа

Теоретический чертеж, изображающий поверхность судна и дающий самую полную характеристику его формы, наряду с нагрузкой и чертежами общего расположения относится к основным материалам проекта.

Разработка теоретического чертежа базируется на двух положениях:

при фиксированных главных размерениях судна необходимо выдержать значения водоизмещения, коэффициентов полноты и положение ЦВ;

локальные параметры формы обводов, такие как: форма шпангоутов, батоксов, ватерлиний, протяженность и положение цилиндрической вставки, форма носовой и кормовой оконечностей и т.п., должны быть близки к оптимальным для данного судна.

Осуществить эти положения можно различными способами:

Разрабатывается строевая по шпангоутам (либо средняя ВЛ) и на ее основе производится построение обводов судна. Такой метод дает проектанту наибольшие возможности для построения желаемых обводов, но в то же время данный метод имеет наибольшую трудоемкость;

Для построения теоретического чертежа используются стандартные строевые по шпангоутам;

Перестраивается теоретический чертеж судна прототипа. В качестве прототипа может быть выбрано либо реальное судно, либо так называемое "стандартное" судно (серии BSRA, 60, Тодда и др.). В результате трудоемкость заметно снижается, но при этом нельзя утверждать, что полученные обводы являются оптимальными для данного судна;

Реальные обводы заменяются математическими кривыми и поверхностями, которые описываются аналитическими выражениями (например, уравнениями параболы или прогрессики). В результате оказывается возможным определить координаты любой точки поверхности без графических построений, что удобно для расчетов статики и динамики судна. Однако далеко не всегда удается описать формулой реальную корабельную кривую, особенно в оконечностях. По этой причине теоретические чертежи, полученные таким образом, зачастую приходится дорабатывать вручную.Процесс разработки теоретического чертежа состоит из двух основных этапов - подготовительных работ и построения всех кривых, образующих теоретический чертеж корпуса.

Подготовительные работы

Подготовительные работы заключаются в разработке строевой по шпангоутам, КВЛ, выборе положения ЦВ, протяженности и положения цилиндрической вставки, обводов шпангоутов и формы носа и кормы. О подходах к решению этих вопросов подробно было сказано в предыдущих разделах.

Построение строевой по шпангоутам заключается в следующем. Сначала для носовой и кормовой частей строится трапеция, равная по площади соответствующей части строевой (рис. 54). При этом необходимо помнить, что площадь строевой численно равна объемному водоизмещению судна.

Рис. 54. Строевая по шпангоутам в форме трапеции

Ранее были получены формулы для длин носового и кормового заострения

.

С учетом того, что для большинства судов L_н = L_к = L/2,

.

Необходимые для определения L_н и L_к коэффициенты ц_н и ц_к можно найти из выражения связывающего положение ЦВ с полнотой носовой и кормовой частей строевой

и зависимостью

.

Другой способ упрощенного изображения строевой заключается в замене кривой четырехугольником Морриша (рис. 55).

Рис. 55. Строевая по шпангоутам в форме Морриша

Может применяться и комбинация обоих способов.

После разработки строевой в упрощенной форме производится ее сглаживание - преобразование от ломаной линии к плавной кривой. Для этого необходимо определить минимальную длину кормового заострения, протяженность и положение цилиндрической вставки, выбрать форму носовой и кормовой ветвей строевой. Затем, ориентируясь на упрощенные изображения проводят плавную кривую, таким образом, чтобы площадь ограниченная сглаженной строевой оставалась равной площади ограниченной ломанной линией (рис. 56).

Рис. 56. Сглаживание носовой ветви строевой

Построение КВЛ осуществляется аналогично построению строевой по шпангоутам, заменяя ц на б, а х_с/L на относительную абсциссу центра КВЛ - х_f/L. Тогда расчетные зависимости, используемые для построения КВЛ, принимают следующий вид:

,

,

.

При построении кривых носовой и кормовой ветвей ватерлиний необходимо учитывать их углы заострения ш_н и ш_к, предельные значения которых были даны ранее.

При построении обвода ДП выбирается рациональную форму фор- и ахтерштевня и параметры седловатости верхней палубы.

В отношении шпангоута наибольшего сечения (как правило, он находится в плоскости миделя) решается вопрос о килеватости днища а, ширине горизонтального киля В_гк, развале бортов и_б, погиби бимсов и радиусе скругления скулы r (рис. 57). Для судов с горизонтальным днищем и вертикальным бортом

.

Рис. 57. Схема построения мидель-шпангоута

Построение теоретического чертежа

После завершения подготовительных работ приступают к построению теоретических шпангоутов. Основой для построения каждого шпангоута является его площадь щ_i, снимаемая со строевой, ордината полушироты у_i, снимаемая с обвода КВЛ и текущая осадка Т_i, снимаемая с обвода ДП (рис. 58). По этим значениям строят равновеликие половине площади каждого шпангоута прямоугольники или четырехугольники Морриша (рис. 59).

Необходимая для построения величина полуширины равновеликого прямоугольника b_i = щ_i/2Т_i, а длина отрезка t_i, определяющего положение точки Е на диагонали АС, определяется как t_i = в_iТ_i. Так как в_i = щ_i/2В_iТ_i, то t_i = щ_i/2В_i.

Для получения особых (например острокильных) обводов четырехугольники Морриша может быть перестроен следующим образом (рис. 59 в). Через точку Е проводиться прямая D'F' параллельная DF. Тогда любой треугольник с основанием DF и вершиной Е' лежащей на прямой D'F' будет иметь площадь равную площади треугольника DFЕ. После разработки упрощенного обвода шпангоута производится его сглаживание.

Надводная часть шпангоута доводится до верхней точки борта в данном сечении Н_i. Величина Н_i снимается с обвода ДП. При построении надводной части шпангоута необходимо учитывать требования к вместимости, непотопляемости и общему расположению. В носовой и кормовой оконечности рекомендуется применять слом шпангоутов у верхней палубы, для уменьшению ее забрызгиваемости. Применение слома приводит к разрушению брызговой пелены не у кромки открытой палубы, а ниже, в точке слома. Это уменьшает высоту брызговой пелены, заносимой ветром на открытую палубу судна.

В первую очередь рекомендуется разрабатывать обводы шпангоутов отстоящих от миделя на 0,7•L/2 в нос и корму - так называемых баланс-шпангоутов. Считается, что они в наилучшей степени характеризуют форму носовых и кормовых обводов. Затем по трем сечениям можно вычертить ватерлинии, ориентируясь на которые можно получить обводы всех остальных шпангоутов.

Рис. 58. К построению обвода шпангоута

а - строевая по шпангоутам, б - обвод КВЛ, в - обвод ДП

Рис. 59. Вычерчивание обвода шпангоута с использованием:

а - равновеликого прямоугольника,

б - четырехугольника Морриша,

в - преобразованного четырехугольника Морриша

После завершения разработки шпангоутов переходят к вычерчиванию ватерлиний и батоксов. При этом возникает необходимость в сглаживании обводов для получения плавных и гладких кривых. Поскольку все кривые теоретического чертежа связаны друг с другом, то корректировка ватерлиний неизбежно приводит к искажению формы шпангоутов. Таким образом сглаживание обводов производится до тех пор, пока все кривые (шпангоуты, ватерлинии и батоксы) не будут полностью удовлетворять проектанта.

Заканчивается построение теоретического чертежа проверкой совпадения значений коэффициентов б, в и д, а также координат ЦВ x_c и z_c снимаемых с чертежа с этими же величинами, полученными расчетом.

Аффинное перестроение теоретического чертежа прототипа

В практике проектирования широко применяется получение теоретического чертежа проекта путем перестроения чертежа прототипа. Наиболее простым способом перестроения теоретического чертежа является его аффинное преобразование. Такое преобразование возможно только тогда, когда все коэффициенты полноты проекта равняются этим же величинам у прототипа. При этом способе построение теоретического чертежа заключается в изменении абсцисс х пропорционально L/L₀, где L - длина проекта, L₀ - длина прототипа; ординат у - пропорционально В/В₀, аппликат z - пропорционально Т/Т₀.

Более подробно суть метода была изложена ранее.

При очевидной простоте аффинного преобразования его недостатком является обязательная неизменность коэффициентов теоретического чертежа, что позволяет использовать его только в том случае, когда при переходе от прототипа к проекту скорость судна х и число Фруда Fr изменяются незначительно.

Интерполяционный способ построения теоретического чертежа

Данный способ применим в том случае, когда имеются два чертежа-прототипа, один с коэффициентом общей полноты д₁, а другой с коэффициентом д₂, причем д₁ < д < д₂, где д - коэффициент общей полноты проектируемого судна.

После приведения обоих чертежей к размерениям проекта путем аффинного преобразования можно получить два теоретических чертежа с одинаковыми главными размерениями, но с разной полнотой (рис. 60).

Объем заключенный между поверхностью судна-прототипа с д₂ и поверхностью судна с д₁,

.

Откуда

.

Рис. 60. Построение шпангоутов интерполяционным способом

Таким образом, сумма разностей всех ординат двух теоретических чертежей при фиксированных главных размерениях и одинаковых расстояниях ДL и ДТ между шпангоутами и ватерлиниями пропорциональны разности их коэффициентов общей полноты. Так же и

.

Из двух последних зависимостей видно, что

.

Для получения практических результатов необходимо установить законы изменения разностей (у₂ - у₁) и (у₂ - у) в зависимости от положения ординат. Простейшим законом в этом случае будет пропорциональность разности (у₂ - у₁) разности (у₂ - у) для ординат лежащих на одноименных шпангоутах при одних и тех же ватерлиниях, то есть

.

Тогда

.

Окончательно

у = у₂ - k_y(у₂ - у₁).

Таким образом, любая ордината у нового теоретического чертежа с коэффициентом общей полноты д может быть получена при наличие двух чертежей с большим и меньшим коэффициентами полноты, приведенных к размерам проектируемого судна путем аффинного преобразования.

Перестроение чертежа прототипа на основании строевой по шпангоутам проекта

Построить теоретический чертеж проектируемого судна можно, имея теоретический чертеж прототипа, размеры которого аффинно преобразованы к размерам проекта и строевые по шпангоутам проекта и прототипа. При этом форма, а следовательно и коэффициент полноты миделя должны быть неизменными у проекта и прототипа.

Рис. 61. Перестроениетеоретического чертежа на основе строевой

Вычертив обе строевых на одном листе, можно определить на сколько нужно перенести шпангоуты прототипа, чтобы они образовали теоретический чертеж проекта. Например, пусть площадь n₀-го шпангоута прототипа равна площади n₁-го шпангоута проекта (рис. 61), то есть абсцисса данной площади должна быть смещена на величину Дх. Тогда определив величину Дх_i в каждом сечении по строевым проекта и прототипа, можно получить обвод любой ватерлинии проекта на основании этой же ватерлинии прототипа, путем переноса ординаты ватерлинии у_i на величину Дх_i.. В ряде случаев возникает необходимость в переносе положения ЦВ по длине судна, что достигается преобразованием строевой по шпангоутам. Для решения этой задачи строевую прототипа, необходимо изменить таким образом, чтобы ее площадь (то есть водоизмещение судна) осталась бы неизменной. От точки центра строевой следует отложить отрезок (х_с - х_с0) соответствующий перемещению ЦВ, из точки а опустить перпендикуляр на ось абсцисс (рис. 62). Полученную таким образом точку b соединить с точкой с, соответствующей новому положению ЦВ. Тогда любая точка строевой проекта получится путем переноса точки а_i в точку c_i, причем отрезок b_ic_i должен быть параллелен bc.

Рис. 62. Перестроение строевой при изменении положения ЦВ

Теоретический чертеж перестраивается таким же путем, что и для описанного выше случая.

Построение поверхности по единому аналитическому выражению

Идея построения всего теоретического чертежа по одному аналитическому выражению, либо по двум выражениям (отдельно для носа и кормы), либо по трем (с учетом цилиндрической вставки) является весьма заманчивой. Однако осуществить ее в полной мере достаточно сложно, поскольку в подобные аналитические зависимости должны входить многочисленные проектные характеристики, полученные в ходе определения главных размерений, коэффициентов полноты и т.п. Учесть главные размерения можно, но учесть коэффициенты полноты, а также ряд других показателей формы (например, изменяющуюся в зависимости от координаты z длину судна) достаточно сложно.

Одним из простых способов задания обводов судовой поверхности является составлением двух отдельных аналитических выражений для носа и кормы.

Выражение для носовой части строевой по ВЛ заданной параболой

,

где S_zн - площадь носовой части ВЛ на расстоянии z от ОП, S_Т - площадь носовой части КВЛ, б_н и д_н - коэффициенты полноты носовой части корпуса судна.

Ординаты ватерлиний в плоскости шпангоута наибольшего сечения (миделя): у_{z max} = c_zz^m при z = Т , у_{z max} = c_zТ^m = В/2, откуда c_z = В/2Т^m, В = 2c_zТ^m.

Площадь шпангоута наибольшего сечения

,

откуда m = (1/в) - 1. Тогда

.

Коэффициент полноты произвольной ВЛ в носовой части

.

При параболических ватерлиниях любая ордината у при любой абсциссе х задается следующим выражением,

или же .

Это выражение позволяет получить теоретический чертеж носовой части судна с заданными размерениями L_н, B, T и коэффициентами полноты б_н, д_н и в.

При построении необходимо помнить, что значение L_н будет неизменным только при вертикальном форштевне. При других очертаниях форштевня, в приведенных выше формулах необходимо учитывать изменение L_н в зависимости от координаты z.

Таким же образом можно построить поверхность кормовой части судна.

Приведенные формулы позволяют построить подводную и надводную поверхности, основанные на параболических ватерлиниях и параболической строевой по ВЛ. Недостатком таких обводов является отсутствие в них точек перегиба, что делает невозможным разработку вогнутых ватерлиний. Кроме того, форма шпангоута наибольшего сечения отличается от обычно принимаемой.

Рядом авторов были предприняты попытки описания поверхности судна другими аналитическими зависимостями.

Удифферентовка и балластировка судна

Проектной удифферентовкой называется операция, в процессе которой положение центра тяжести проектируемого судна совмещается с положением центра величины, выбранного из условий ходкости.

Координаты ЦТ определяются из уравнения моментов, составленных относительно плоскости мидель-шпангоута и ОП. Для этого составляется таблица нагрузки (табл. 1), в которой учитываются все составляющие водоизмещения и их распределение по длине и высоте судна.

Таблица нагрузки

таблица 9

Код раздела	Наименование раздела	Масса, Рi	Плечи	Моменты
			xi	zi	Рi xi	Рi zi

Координаты общего ЦТ:

и .

Из приведенных формул видно, что положение ЦТ судна будет зависеть от удельного значения каждой из составляющих нагрузки и координат их ЦТ.

Применение данного способа на начальных стадиях проектирования затруднительно, поскольку данные по нагрузке и главные размерения судна (от которых зависят плечи составляющих нагрузки) постоянно меняются, что обусловлено методикой проектирования. Поэтому на начальных стадиях координаты ЦТ находят по упрощенным зависимостям. Например, положение ЦТ по высоте можно связать с высотой борта судна

,

где в среднем = 0,63 - 0,72 - для сухогрузов, 0,60 - 0,65 - для зерновозов, 0,54 - 0,57 - для наливных судов.

Результаты расчетов будут значительно более точными, если определять координаты ЦТ не для всего судна, а для отдельных его составляющих, используя статистические зависимости, данные прототипа и схему общего расположения проектируемого судна. В этом случае все составляющие нагрузки разбивают на две группы. К первой относят те разделы, координаты ЦТ которых определяют по эскизу общего расположения проекта. К таким разделам относятся груз, топливо, балласт, оборудование, экипаж. Ко второй - разделы, для определения координат ЦТ которых используют статистические данные или данные прототипа.

В этом случае для координат ЦТ корпуса:

, и

Несколько сложнее определяются координаты ЦТ механизмов, поскольку МО проектируемого судна и прототипа может располагаться совершенно по разному. В этом случае всю совокупность масс, входящих в раздел, делят на две части: расположенных в пределах МО и вне его. Затем пользуясь нагрузкой прототипа с аналогичным типом СЭУ, определяют абсциссы ЦТ обеих частей - х'_м0 и х''_м0, отсчитывая их от кормовой переборки МО (рис. 63). Зная длину МО - L'_м0 и расстояние между кормовой переборкой МО и переборкой ахтерпика L''_м0, можно найти относительные абсциссы (х'_м/L'_м)₀ и (х''_м/L''_м)₀. Считая их неизменными для проекта и прототипа можно определить координаты х''_м и х'_м, снимая со схемы общего расположения расстояния L'_м и L''_м.

Рис. 63. Определение координат ЦТ механизмов

Аналогичным образом можно определить и возвышение ЦТ этого раздела.

Способы удифферентовки судна

В практике проектирования судов применяются три основных способа удифферентовки: перемещением МО, изменением длины судна, изменением архитектурно-компоновочной схемы судна.

Первый способ относится, в основном, к судам со средним и промежуточным МО. Задача формулируется следующим образом, известна разность между абсциссами ЦТ и ЦВ, равная Дx_g, нужно определить на какое расстояние s необходимо переместить МО, чтобы ликвидировать это расхождение.

Обозначим через Р'_м и Р'_т те части разделов Р_м и Р_т, которые расположены в пределах МО и через Р'_к - массу корпусных конструкций в пределах МО (надстройки и рубки накрывающие МО, переборки МО, а также различные местные конструкции). При перемещении МО потребуется переместить часть груза Р'_г, из объема примыкающего к МО, на расстояние l'_м в противоположном направлении (рис. 64). В результате ЦТ судна сместится на величину

.

Масса перемещаемого груза Р'_г будет зависеть от величины смещения s.

Р'_г = р'_г s,

где р'_г - масса груза, приходящаяся на 1 м длины трюма. Тогда величина s

.

Рис. 64. Удифферентовка судна перемещением МО

Следует обратить внимание, что при выводе уравнения не было учтено то обстоятельство, что высота кормового трюма несколько меньше, чем трюма перед МО, за счет наличия в кормовой части туннеля гребного вала. Вследствие этого при перемещении части груза в нос, его длина (при неизменном объеме) несколько уменьшится. Кроме этого, за счет уменьшения длины туннеля гребного вала, уменьшится масса Р''_м. Однако все подобные обстоятельства не приводят к серьезной ошибке и могут быть устранены перемещением масс топлива или балласта.

Этот способ удифферентовки достаточно прост и удобен, однако применим далеко не всегда. В случае, когда у судна с кормовым расположением МО ЦТ смещен в нос от ЦВ или при Р'_м + Р'_т + Р'_к ? Р'_г, необходимо использовать другие способы удифферентовки.

Второй способ основан на изменении длины судна в нос и корму симметрично относительно миделя. При этом можно считать, что водоизмещение судна остается постоянным (за счет изменения В и Т). Задачу можно сформулировать так, известна разность между ЦТ и ЦВ судна, необходимо определить при каком приращении длины судна ДL эта разность станет равной нулю.

Уравнение моментов при изменении длины судна,

.

При изменении длины, теоретический чертеж судна аффинно преобразовывается, ЦВ сместиться на величину Дх_с = х_с0ДL/L₀, где х_с0 - абсцисса ЦВ соответствующая судну длиной L₀ (рис. 65). Таким образом х_с = х_с0 + Дх_с, и расстояние, на которое необходимо переместить ЦТ Дх_g = х_g0 - х_с.



Рис. 65. Удифферентовка судна путем изменения длины

При изменении длины судна произойдет перераспределение нагрузки. Можно считать, что относительные абсциссы таких разделов как корпус, оборудование, запас водоизмещения останутся неизменными, т.е. х_i/L = const, соответственно приращения абсцисс этих разделов Дх_i = х_i0ДL/L₀. Абсциссы ЦТ масс механизмов и экипажа сместиться на ДL/2 в корму. Абсцисса ЦТ груза, при неизменной длине форпика и ахтерпика, не измениться. Изменение координат ЦТ топлива и балласта будет зависеть от их размещения. Если считать, что запасы топлива сосредоточены между переборками МО, то Дх_т = ДL/2, если топливо равномерно распределено по длине судна, то Дх_т = х_т0ДL/L₀. Тогда,

где .

Окончательно,

.

Откуда величина удлинения

.

Данный способ применим для всех судов с машиной в корме. Основная трудность в его использовании заключается в определении вида зависимости P_ix_i0. Чем больше разделов будет выделено в составе данной функции, тем точнее можно определить значение смещения ЦТ, но с ростом числа слагаемых выражение становиться все более громоздким.

Третий способ сводится к увеличению вместимости грузовых помещений в той оконечности судна, по направлению к которой необходимо переместить его ЦТ. На судах со средним и промежуточным положением МО такая необходимость возникает вследствие уменьшения вместимости кормовых трюмов из-за туннеля гребного вала. Увеличить вместимость этих помещений можно создав дополнительный твиндек в надстройке или путем перехода к квартердечному типу судна, с приподнятой на 0,6 - 1,2 м кормовой частью верхней палубы. Добиться смещения ЦТ в нос можно путем удлинения бака и устройства там грузового твиндека (рис. 66).

Рис. 66. Удифферентовка судна изменением архитектурного типа

Нередко в процессе удифферентовки пользуются несколькими способами.

Балластировка судна

Транспортные суда проектируют таким образом, чтобы при полном водоизмещении (с грузом и полными запасами), они имели бы нулевой дифферент (либо минимальный дифферент на корму) и оптимальные показатели остойчивости без приема балласта - твердого или жидкого.

Твердый балласт, находящийся на судне при любых вариантах нагрузки, используется на транспортных судах довольно редко. Исключение составляют суда с высоким расположением ЦТ - контейнеровозы и пассажирские. Для них же твердый балласт используется для проектной удифферентовки в полном грузу. Жидкий балласт в виде забортной воды принимается в определенных условиях всеми судами без исключения.

Проектанта интересует вопрос о необходимом количестве и размещении водного балласта, т.е. об объеме и расположении балластных цистерн. Особенно остро возникают эти вопросы при разработке проектов универсальных сухогрузных судов, поскольку на специализированных судах (контейнеровозы, балкеры и др.) обычно имеется достаточно свободных объемов для размещения балласта. Особое внимание следует уделять балластировке танкеров, которые должны удовлетворять требованиям международных конвенций.

Балластировку судна осуществляют для поддержания в различных условиях эксплуатации необходимых параметров посадки и остойчивости.

Прием балласта для повышения остойчивости применяется при расходовании топлива и при выходе судна в рейс с палубным грузом, для понижения остойчивости - при ходе с запасами топлива, но без груза. Соответственно этим случаям балласт принимается в низкорасположенные цистерны двойного дна или высокорасположенные подпалубные цистерны или цистерны в надстройках. Количество балласта, необходимое в каждом случае определяют исходя из анализа остойчивости судна при различных состояниях нагрузки.

Прием балласта для поддержания посадки связан с требованиями предъявляемыми к погружению оконечностей и допустимому дифференту судна. Появление дифферента влияет на ходкость и маневренность судна, а также на остойчивость, заливаемость палубы, ледопроходимость и протяженность зоны невидимости перед форштевнем. Для большинства современных судов считается допустимым относительный дифферент d/L = 0,6 - 0,8 % на корму и 0,1 - 0,2 % на нос.

Уменьшение погружения носовой оконечности приводит при килевой качке к оголению днища и ударам его носовой части об встречную волну (слеминг). Условием отсутствия слеминга является достаточное погружение носовой оконечности. Нижним пределом относительной осадки судна в носу считается величина Т_н/L = 0,025 - 0,030. Большие значения характерны для быстроходных судов с неограниченным районом плавания, меньшие - для тихоходных судов и судов, эксплуатирующихся в ограниченных акваториях. В то же время для судов совершающих рейсы в штормовых условиях, рекомендуется увеличивать относительную осадку носом до значений Т_н/L = 0,035 - 0,038.

Уменьшение погружения кормовой оконечности сопряжено с оголением (частичным или полным) гребного винта и, следовательно, снижением его эффективности. Для современных судов соотношение между диаметром гребного винта и проектной осадки лежит в пределах d_в/Т = 0,65 - 0,70. Меньшие значения характерны для высокооборотных винтов, отличающихся меньшим диаметром, большие - для винтов, частота вращения которых не превосходит 100 - 120 оборотов в минуту. Учитывая регламентированные Регистром зазоры между винтом и корпусом судна, а также толщину пятки ахтерштевня (для кормы закрытого типа) получаем, что минимальные значения осадки кормой Т_к = (0,70 - 0,74)Т. Для судов эксплуатирующихся в штормовых условиях, рекомендуется увеличивать погружение кормовой оконечности до 0,8Т.

Определение количества балласта и размещение его по судну

Жидкий балласт Р_бл и судовые запасы Р_сз (остатки топлива, масса экипажа с багажом, провизия и вода) составляют в сумме дедвейт при ходе судна без груза в балласте - DW_бл. Если известна величина Р_сз, определение количества водяного балласта сводится к определению DW_бл.

Р_бл = DW_бл - Р_сз.

В свою очередь, дедвейт судна в балластном пробеге связан с водоизмещением судна порожнем следующей зависимостью

DW_бл = D_бл - D_пор,

где D_пор - водоизмещение порожнем.

Воспользовавшись приближенным выражением для грузового размера (зависимостью водоизмещения от осадки), соответствующим параболической строевой по ВЛ, водоизмещение судна в балласте связано с водоизмещением в полном грузу соотношением

.

С другой стороны водоизмещение порожнем

D_пор = D - DW.

В результате

DW_бл = Dt^б/д - D + DW = D(t^б/д + з_DW - 1).

Расчеты по данной формуле показывают, что дедвейт судна в балластном переходе составляет приблизительно 30 % от дедвейта в полном грузу, а водоизмещение в балластном переходе D_бл ? (0,50 - 0,55)D.

После определения массы балласта Р_бл необходимо найти требуемый объем балластных цистерн и сравнить его с объемом, имеющимся на судне и пригодным для размещения жидкого балласта.

Для приема забортной воды на сухогрузах используются цистерны двойного дна, двойных бортов, форпик и ахтерпик, цистерны судовых запасов, грузовые диптанки. На специализированных судах выделяются специальные балластные цистерны - например подпалубные цистерны на балкерах (рис. 67).

Рис. 67. Форма трюма судна для сыпучих грузов

Из цистерн судовых запасов для приема балласта используют, в основном, незаполненные топливные цистерны и очень редко - цистерны пресной воды. Комбинированное использование топливных цистерн является вынужденной мерой и обуславливается невозможностью выделения достаточного объема для чисто балластных цистерн. Такое использование топливных цистерн приводит к ряду неудобств связанных с тем, что неудалимые остатки воды обводняют топливо. Кроме того, загрязненную нефтепродуктами воду запрещено сбрасывать в воду, ее необходимо сдавать в портах в специальные приемники после предварительной очистки.

Диптанки для жидких грузов, применявшиеся ранее только на линейных судах, сейчас устраиваются и на трампах. Так как в балластном пробеге диптанки пустуют, то они могут быть использованы для приема балласта. Такое их использование значительно облегчает балластировку судна, увеличивает возможности к достижению желаемой посадки без увеличения объема чисто балластных цистерн.

В заключение, необходимо отметить, что определение посадки судна в балластном пробеге следует вести с большой осторожностью, так как занижение требований к погружению оконечностей приведет к значительному ухудшению мореходных качеств, а завышение требований неблагоприятно отразится на экономических показателях, поскольку увеличение объема балластных цистерн приведет к уменьшению грузовместимости судна. Правильное решение вопросов балластировки возможно только при тщательном рассмотрении вероятных условий эксплуатации проектируемого судна совместно с требованиями к его грузоподъемности, грузовместимости и остойчивости.

Методика проектирования

Из всей совокупности величин, подлежащих определению при разработке проекта судна, выделяются так называемые основные элементы - главные размерения L, B, T, H и коэффициенты полноты б, в, д - всего семь величин. Значения этих величин определяются на самых ранних этапах проектирования. Все остальные элементы и характеристики судна: водоизмещение D, мощность СЭУ N, грузовместимость W_гр и пр. зависят от основных элементов и могут быть найдены на следующих стадиях разработки проекта.

Традиционный путь определения нескольких взаимосвязанных величин заключается в составлении системы уравнений по числу неизвестных, решение которой дает значения искомых величин. Однако при проектировании судна задача определения его основных элементов не может быть полностью и однозначно решена только аналитическим путем. Препятствуют этому следующие обстоятельства, характерные для проектных расчетов:

число искомых неизвестных превосходит число уравнений. Кроме этого, в ряде случаев, зависимости, используемые в расчетах, являются не уравнениями, а неравенствами;

кроме аналитических, используются зависимости, выраженные в графической и табличной формах;

наряду с однозначно определенными величинами фигурируют величины, изменяющиеся в каких-то пределах, численные значения которых принимаются проектантом по его усмотрению (например h или ф_и).

Чтобы обойти отмеченные трудности, в ТПС разработаны многочисленные методы, позволяющие решить поставленную задачу. По подходу к определению основных элементов судна все эти методы можно подразделить на два: метод последовательных приближений и метод вариаций.

Метод последовательных приближений основан на поэтапном подходе к определению основных элементов проекта. В результате использования этого метода искомые величины могут быть получены и обоснованы с любой желаемой полнотой, гарантирующей выполнение требований к проектируемому судну, сформулированных в задании на проектирование. Таким образом, можно получить приемлемый вариант судна, отвечающий всем условиям предъявляемым к нему, но без всякой уверенности, что полученное решение - самое лучшее, поскольку, разрабатывается и уточняется при переходе от этапа к этапу только один вариант. Это обстоятельство - разработка единственного варианта - является характерным для метода последовательных приближений.

Необходимость получения не просто допустимого, а наилучшего варианта, соответствующего определенному сочетанию основных элементов из множества допустимых, обуславливает существования метода вариаций. Этот метод основан на разработке таким же поэтапным путем уже не одного, а ряда вариантов проектируемого судна и выбора из числа вариантов, удовлетворяющих всем сформулированным требованиям, одного наилучшего.

Оба метода не исключают, а дополняют друг друга, так как расчеты по методу последовательных приближений можно завершить проработкой нескольких вариантов, а метод вариаций включает в себя приемы метода последовательных приближений, используемые при определении основных элементов всех вариантов.

Метод последовательных приближений

Метод последовательных приближений основан на том, что все расчеты и графические построения, связанные с определением основных элементов, разбиваются на несколько приближений. При этом в каждом последующем приближении происходит уточнение элементов, установленных в предыдущем. Уточнение осуществляется или за счет более точных и детальных расчетов и построений, или путем учета требований, которые на предыдущих этапах не принимались во внимание. Так повторяется до тех пор, пока не будет обеспечено выполнение всех требований предъявляемых к проектируемому судну, проверенных с возможно наибольшей точностью.

Разделение процесса проектирования на отдельные приближения достаточно условно. В качестве объективного критерия, позволяющего отделить одно приближение от другого, может быть принята совокупность основных элементов полученных в результате выполнения определенного цикла расчетов и построений. Переход к следующему циклу расчетов, направленных на уточнение ранее полученных элементов, соответствует переходу к следующему приближению.

Таким образом, для данного метода характерно многократное повторение одних и тех же расчетов с нарастающей точностью. Поэтому, например, водоизмещение в начальных приближениях определяется с помощью коэффициента утилизации водоизмещения, затем путем расчета укрупненной нагрузки и наконец, на заключительных этапах - вычислением всех компонентов детальной нагрузки путем постатейного пересчета. То же самое можно сказать и о расчетах потребной мощности СЭУ - вначале с помощью простейших двухкомпонентных формул, затем используя более точные графики (например, график Папмеля), и наконец, детальный расчет всех составляющих, включая пропульсивный коэффициент.

Графическим выражением отмеченной цикличности расчетов является так называемая спираль проектирования (рис. 68).

Метод вариаций

В основе метода вариаций лежит параллельная разработка нескольких десятков или сотен вариантов проектируемого судна с дальнейшим сопоставлением этих вариантов и выбором из них наилучшего. Основное отличие метода вариаций от метода последовательных приближений заключается в том, что значения коэффициентов теоретического чертежа и соотношения главных размерений (или же непосредственно сами размерения) не определяются в ходе проектирования, а задаются и являются, таким образом, исходными величинами в процессе определения показателей данного варианта. Следовательно, характеристики разрабатываемых вариантов будут различными, в том числе и не удовлетворяющими требованиям задания на проектирование.



Как и для предыдущего метода нельзя указать единственно возможную последовательность расчетов, поскольку в зависимости от типа судна и требований к нему предъявляемых, расчетная схема может изменяться весьма значительно. Можно лишь выделить общую черту присущую любому подходу - изначально задаются значения варьируемых параметров (L, B, T, H, и т.п. или L/B, B/T, H/T, и т.п.). Затем для каждого параметра устанавливается диапазон его изменения (L/B = 5,0 - 7,0, = 0,62 - 0,75 и т.д.). При этом предельные значения варьируемых величин должны перекрывать ожидаемую область значений каждой из них. Далее проводится расчет показателей каждого варианта. Поскольку известны основные элементы, то можно прямыми расчетами определить мореходные и эксплуатационно-экономические характеристики каждого варианта. При этом, очевидно, нет нужды продолжать расчеты для того варианта, расчетные характеристики которого не соответствуют требуемым. Таким образом, в ходе проектирования количество разрабатываемых вариантов судна сокращается и к моменту окончания расчетов остается несколько вариантов, полностью удовлетворяющих требованиям технического задания. На заключительном этапе расчетов по методу вариаций из допустимых решений выбирается наилучший, используя принятый критерий эффективности.

Недостатком метода вариаций является большая трудоемкость. Действительно, количество вариантов проекта зависит от числа варьируемых параметров и числа значений каждого из них.

Количество разрабатываемых вариантов в методе вариаций таблица 10

	Количество значений каждого параметра
Количество варьируемых параметров		3	4	5
	2	9	16	25
	3	27	64	125
	4	81	256	625
	5	243	1 024	3 125
	6	729	4 096	15 625

Как следует из табл. 10 даже при минимально допустимом числе значений каждого параметра, количество вариантов растет очень быстро при введении в рассмотрение каждого дополнительного параметра. А для всестороннего анализа помимо влияния основных элементов необходимо рассмотреть и ряд дополнительных, например протяженность цилиндрической вставки или типа двигателя или его положения по длине судна и т.д. Поэтому применение метода вариаций в чистом виде затруднительно из-за слишком большого объема работы.

Оптимизация проекта

Из сказанного ранее ясно, что метод последовательных приближений является более простым в использовании, а метод вариаций позволяет выбрать наилучший проект. В процессе проектирования судна чаще всего на ранних этапах пользуются методом последовательных приближений, с помощью которого устанавливаются элементы так называемого базового варианта, удовлетворяющего требованиям технического задания. Затем устанавливаются варьируемые параметры (l или L/B, д, В/Т и т.д.) и число значений каждого параметра. Определяются предельные значения каждого параметра, и, далее, проводится расчет всех характеристик. Сама методика расчета может быть различной для разных типов судов. Чаще всего на начальном этапе предполагают, что водоизмещение всех вариантов остается неизменным и, исходя из принятых соотношений главных размерений, устанавливаются основные элементы вариантов. Такой прием, в определенной степени, гарантирует выполнение всех требований предъявляемых к проекту. С другой стороны наличие базового проекта позволяет сократить число варьируемых величин и значений каждой величины.

Чаще всего расчет проводится в табличной форме (табл. 11).

В процессе расчета устанавливается влияние элементов судна на его нагрузку, остойчивость, ходкость, вместимость, непотопляемость и т.д. В результате этого водоизмещение каждого варианта (кроме базового) будет отличаться от принятого. Может потребоваться изменить для какого-то варианта архитектурно-конструктивный тип. В любом случае в результате расчетов будет получен ряд вариантов с различными основными элементами отличающихся друг от друга теми или иными характеристиками. Задача проектанта выбрать из этой совокупности вариант с наилучшими показателями.

Таблица расчета вариантов проектируемого судна

таблица 11

вели-чина

L/B1

L/B2

…

L/Bn

B/T1

…

B/Tn

B/T1

…

B/Tn

…

B/Tn

д1

…

дn

д1

…

дn

д1

…

дn

д1

…

дn

д1

…

дn

д1

…

дn

…

дn

L

B

T

D

N

Pк

…

Критерии эффективности проекта

Критерии для оценки варианта могут быть выдвинуты различные. В известной мере в качестве таких критериев могут быть взяты размеры судна, его водоизмещение. При введении ограничений на размеры судна можно не рассматривать те варианты судов, размеры которых выходят за эти пределы, принятые в качестве ограничений.

Для экспедиционных, научно-исследовательских судов, военных кораблей в качестве критерия издавна используют водоизмещение, так как для них грузоподъемность не играет большой роли (т.е. тоже принимают ограничения в качестве критерия). Для транспортных судов в качестве одного из возможных технико-эксплуатационных критериев приемлемости проекта можно использовать наибольшее значение коэффициента утилизации водоизмещения.

Кроме того, можно применять критерий, выдвинутый Дэвидсоном: транспортный момент Dх_s, где D - полная масса транспортного средства, т; х_s - его расчетная скорость, уз.

Желание достичь максимума Dх противоречит требованию о минимуме D. Увеличение D, как правило, положительно сказывается на провозоспособности, т.е. на способности судна данного типа перевезти определенное количество соответствующего груза в единицу времени. В общем случае под грузом следует понимать ту часть нагрузки судна, транспортировка которой определяет основное назначение судна. Для грузовых судов - это их полезная грузоподъемность Р_г, т.

Совершенно ясно, что при данной грузоподъемности (полезной нагрузке) и других требованиях к судну (скорость, дальность плавания) желательно иметь наименьшее водоизмещение.

Провозоспособность судна может рассматриваться как технико-эксплуатационный критерий оценки судна, хотя значение этого критерия зависит не только от характеристик судна.

Годовая провозоспособность судна (т·мили)

Q = P t х_э,

где Р - средняя масса одновременно перевозимого груза, т; t - ходовое время за год, час; х_э - средняя ходовая (эксплуатационная) скорость, уз.

Учитывая, что Р = з_рР_г = з_рз_гD, t = 8760з_t, где з_р - коэффициент использования чистой грузоподъемности при эксплуатации, з_г - коэффициент утилизации водоизмещения по чистой грузоподъемности, з_t - коэффициент использования полного годового времени, 8760 - число часов в году; х_э = з_хх_s, где з_х - коэффициент использования скорости, имеем

Q = 8760 з_DхDх_s,

Коэффициент использования транспортного момента,

з_Dх = з_р з_р з_х з_t.

Коэффициент з_t зависит от времени пребывания в течение года в портах t_п и в ремонте t_р,

.

Значение t_п зависит прежде всего от нормы грузовых работ, значение t_р - от надежности корпуса и механизмов судна, от его ремонтопригодности.

Коэффициент использования (утилизации) з_р чистой грузоподъемности зависит от степени загрузки судна, которая, в свою очередь, зависит от удельного погрузочного объема груза м_г, его партионности. При высоком значении удельного погрузочного объема з_р уменьшается, что приводит к недогрузке судна. Кроме того, значение этого коэффициента зависит от наличия груза в порту погрузки и даже в какой-то степени от конкурентоспособности судна.