МОРЕХІДНІ ЯКОСТІ ТА МІЦНІСТЬ СУДНА

Плавучестью называют способность судна поддерживать вертикальное равновесие в заданном положении относительно поверхности воды в результате действия силы веса судна и выталкивающей силы воды. Мерой плавучести судна является его водоизмещение , где ρ – плотность забортной воды.

На судно, плавающее неподвижно на спокойной воде в положении равновесия, действуют следующие силы:

- сила веса всех его частей, которые приводятся к равнодействующей – силе веса судна Р = gΔ, направленной вертикально вниз и приложенной в центре тяжести (ЦТ) судна точке G(x_g, y_g, z_g);

- гидростатические силы давления воды, действующие по норма­лям к подводной поверхности суд­на; горизонтальные составляющие этих сил взаимно уравновешивают­ся, а вертикальные составляющие приводятся к их равнодействую­щей – силе плавучести γV (γ – удельный вес забортной воды), направ­ленной вертикально вверх и приложенной в центре величины (ЦВ) - ЦТ подводного объема судна С(x_c, y_c, z_c).

На корпус движущегося судна действуют, кроме того, гидродина­мические силы давления воды, имеющие также не только горизонталь­ные, но и вертикальные составляющие. Однако при решении большин­ства задач статики судна подъемной силой корпуса, обусловленной гидродинамическими силами давления воды, пренебрегают. Эти силы учитывают только в некоторых специальных задачах статики, напри­мер в задачах, связанных с остойчивостью глиссирующих судов.

Основным физическим законом, определяющим плавучесть судна, служит закон Архимеда, согласно которому сила веса судна равна силе плавучести, а масса (водоизмещение судна Δ) равна массе вытеснен­ной им воды:

P = γV = γС_bLBd; Δ = ρV.

Эти формулы являются математическими выражениями первого условия равновесия плавающего судна.

Из теоретической механики известно, что для равенства двух сил необходимо и достаточно, чтобы они были равны по абсолютной вели­чине и направлены противоположно друг другу по прямой, соединяю­щей точки их приложения. В данном случае обе силы – сила веса и си­ла плавучести – направлены вертикально; следовательно, вторым условием равновесия плавающего судна является расположение точек приложения этих сил - ЦТ и ЦВ - на одной вертикали, т. е. на одном перпендикуляре к плоскости ватерлинии.

Уравнение плоскости ватерлинии может быть записано в виде

x tgψ + y tgθ – z + d = 0.

Из аналитической геометрии известно, что прямая, соединяющая точ­ки G и С, будет перпендикулярна плоскости, выраженной этим уравнением, в том случае, когда удовлетворяются следующие уравнения:

Эти уравнения выражают второе условие равновесия плавающего судна. В совокупности первое и второе условие составляют систему уравнений равновесия судна.

Если судно сидит прямо и на ровный киль (ψ = θ = 0), то уравнения второго условия равновесия принимают вид:

x_g = x_c; y_g = y_c.

Остойчивость.

В механике различают три вида статического равновесия тела. Если тело находится в положении равновесия и при малом отклонении возвращается в свое первона­чальное положение, то такое равновесие называют устойчивым. Если пои малом отклонении тело остается в том положении, в какое его отклонили, то равновесие будет безразличным. Наконец, если при малом отклонении тело будет стремиться еще больше отклониться от своего первоначального положения, то равновесие будет неустойчивым.

В статике судна применительно к равновесию плавающего судна я условиях возможного воздействия на него внешних моментов из­вестное в механике свойство статической устойчивости принято называть статической остойчивостью или просто остойчивостью.

Таким образом остойчивость можно определить как способность судна, отклоненного внешним моментом в вертикальной плоскости от положения равновесия, возвращаться в исходное положение равнове­сия после устранения момента, вызвавшего отклонение.

Приведенное выше определение показывает, что остойчивость судна тесно связана с его равновесием и служит характеристикой по­следнего. Судно считается остойчивым, если его равновесие устойчи­во, и неостойчивым, если его равновесие неустойчиво или безраз­лично.

Изучая остойчивость судна, различают остойчивость на малых углах наклонения, или начальную остойчивость, и остойчивость на больших углах наклонения. Это вызвано тем, что при оценке началь­ной остойчивости имеется возможность принять ряд допущений и по­лучить простые приближенные математические зависимости, тогда как задачи, связанные с остойчивостью на больших углах наклонения, могут быть решены только графическим путем.

При анализе остойчивости судна рассматривают его наклонения в двух взаимно перпендикулярных плоскостях - поперечной и про­дольной. Наклонения в поперечной вертикальной плоскости, характе­ризуемые углами крена, связаны с поперечной остойчивостью судна, а наклонения в продольной плоскости, определяемые углами диффе­рента, с продольной остойчивостью судна.

Непотопляемостьюсудна называют его способность оставаться на плаву после затопления части его внутренних помещений (отсеков), имея посадку и остойчивость, обеспечивающие хотя бы ограниченное использование судна по назначению. Непотопляемость, в отличие от остойчивости неповрежденного судна, нельзя рассматривать как его мореходное качество. Непотопляемость является свойством судна сохранять свои мореходные качества в заданных пределах. Таким образом, судно обладает непотопляемостью, если после затопления части отсеков оно сохраняет плавучесть, остойчивость и посадку в той мере, которая достаточна для выполнения хотя бы части его функций.

Непотопляемость – специфическое качество судна. В отличие от ходкости, управляемости и других свойств судна с непотопляемостью моряки сталкиваются только при аварии, приводящей к поступлению воды внутрь корпуса. В то же время потеря непотопляемости связана с тяжелейшими последствиями – гибелью судна и людей, поэтому ее обеспечение является одной из важнейших задач как судостроителей, так и экипажа.

Непотопляемость является главным элементом живучести судна, поскольку утрата непотопляемости равносильна утрате судна как инженерного сооружения и как эксплуатационной единицы флота. Хотя практические меры по обеспечению непотопляемости насчи­тывают не одну тысячу лет, теория непотопляемости – сравнительно молодая наука: ей немногим более 100 лет.

В практике непотопляемость обеспечивается на всех этапах жизни судна: судостроителями на стадиях проектирования, постройки и ре­монта судна; экипажем в процессе эксплуатации неповрежденного судна; экипажем непосредственно в аварийной ситуации.

Управляемость судна характеризуется двумя качествами: поворотливостью (т.е. способностью судна по желанию судоводителя изменять направление движения) и устойчивостью на курсе (т.е. способностью судна сохранять заданное ему прямое направление движения без отклонения в стороны). Неустойчивые на курсе суда называются рыскливыми. Как поворот, так и удержание на курсе осуществляют с помощью руля.

В реальных условиях плавания на судно действуют различные возмущения (удары волн, порывы ветра, гидродинамическое воздействие проходящих мимо судов и неподвижных препятствий), которые стремятся вывести судно из прямолинейного равномерного движения. Но даже на ти­хой воде при отсутствии внешних возмущений некоторые суда имеют тенденцию уходить от прямого курса вследствие особенностей формы корпуса и распределения гидродинамической нагрузки в под­водной части. Иными словами, существуют устойчивые и неустойчи­вые суда.

Исследованием условий возможности движения судна прямым курсом занимается раздел управляемости – устойчивость движения судна на курсе. Устойчивость судна – это его способность сохранять после воздействия возмущений некоторые кинематические парамет­ры движения. Существуют некоторые разновидности устойчивости, например устойчивость движения на прямом курсе и устойчивость движения на циркуляции, автоматическая или собственная устойчи­вость и эксплуатационная устойчивость, динамическая и статическая устойчивость.

Ходкостью судна называется его способность перемещаться по воде с заданной скоростью под действием приложенной к нему движущей силы.

Движущая сила, вызывающая передвижение судна, может создаваться движителем, натяжением буксирного троса, давлением ветра на парус и т.д. Значение движущей силы зависит от мощности силовой установки, типа движителя, мощности буксира, силы давления ветра и т.д. Лучшей ходкостью из двух близких по размерениям и водоизмещению судов обладает то, которое при одинаковой тяге развивает большую скорость или, наоборот, для достижения одинаковой скорости требует меньшей тяги.

Приложенная к судну тяга затрачивается на преодоление сопротивления движению судна двух сред: воды и воздуха.

Сила сопротивления воды включает в себя силы различной природы, подчиняющиеся различным законам подобия и зависящие от различных свойств жидкостей. Сила трения обусловлена касательными составляющими, которые зависят от свойств вязкости. Сила давления состоит из двух составляющих – сопротивления формы (вязкостной природы) и волнового сопротивления (гравитационной природы). Таким образом, полное сопротивление воды движению судна можно записать в виде:

R = R_f + R_ф + R_w + R_вч + R_возд,

где R_f – сопротивление трения;

R_ф – сопротивление формы;

R_w – волновое сопротивление.

Надводная часть судна движется в воздушной среде и испытывает ее сопротивление R_возд.

В подводной части корпуса имеются выступающие части (скуловые кили, рудерпост, кронштейны, шахты, выкружки), которые создают дополнительное сопротивление выступающих частей R_вч.

Мощность, необходимую для преодоления силы сопротивления при буксировке с заданной скоростью, называют буксировочной мощностью (EPS, кВт):

N_б = EPS = Rυ

При решении многих судоводительских задач используют так на­зываемую паспортную диаграмму судна.

Паспортная диаграмма позволяет, в частности, решать задачи о средней потере скорости судна в тех или иных условиях плавания. Для этого необходимо сравнить две точки в верхней части паспортной диаграммы на кривой 8 при пересечении ее с кривой 2 и с кривой, соответствующей определенным эксплуатационным условиям, напри­мер с одной из кривых 3. Абсциссы этих точек дадут значения интере­сующих нас скоростей судна в этих условиях.

Качка судна – комплекс различных видов колебательных движений судна, которые оно совершает на морском волнении и на тихой воде.

Качка – сложный динамический процесс, чувствительный к небольшим изменениям состояния судна и режима его движения. Безопасная эксплуатация судна требует тщательного изучения поведения судна на волнении.

Мореходность судна на волнении – вся совокупность явлений, происходящих на судне при движении в условиях шторма. Некоторые из них:

- динамическая остойчивость, особенно на попутном волнении;

- ходкость судна на волнении;

- слеминг (днищевой, бортовой) – сильные удары днища в носовой оконечности, борта судна о волны, опасные потерей местной прочности;

- устойчивость на курсе, рыскание;

- и т.п.

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

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

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

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

При проверке общей продольной прочности корпус судна рассматривают в условиях воздействия на него только вертикальной нагрузки - сил веса и верти­кальных составляющих гидростатических и гидродинамических сил давления воды.

Горизонтальные составляющие внешней нагрузки (упор движителей и силы сопротивления воды) не учитывают, так как общие напряжения в связях корпуса от таких сил пренебрежимо малы.

Контроль общей продольной прочности выполняется для каждого варианта загрузки судна, если это определено Правилами классификационного общества, судовой документацией.

Практическое занятие № 2