Тема 4 КОНСТРУКЦИЯ КОРПУСА

4.1. Понятие о прочности судна.

Прочность – способность конструкции выдерживать действующие на неё силы без разрушения и недопустимых деформаций. Т.к. суда эксплуатируются в море, их корпуса испытывают гидростатические силы поддержания, гидродинамические силы ударов волн, ветра; кроме того, действует собственный вес, включая вес механизмов, устройств, оборудования, систем, вес перевозимого груза, судовых запасов, экипажа и пр. Суммарные нагрузки от сил веса и гидродинамических сил дают нагрузку, действующую на корпус судна на тихой воде /см. рис.6.1 Ф стр.124/. В море на волнении на судно действует ещё переменная волновая нагрузка. Когда судно попадает средней частью на вершину волны, корпус испытывает перегиб (корпус рассматривается как коробчатая балка), когда на подошву – прогиб. Весовые нагрузки в период эксплуатации судна также могут изменяться: меняется количество и размещение грузов, судовых запасов и пр. Поэтому для расчёта прочности выбирается и фиксируется наиболее опасный момент воздействия этих сил. Воздействие указанных сил на корпус судна вызывает в его конструкциях напряжения – нагрузку на единицу площади сечения. Напряжение в конструкциях может вызвать усилия чистого растяжения, которые вызывают одинаковые напряжения по всему

сечению. Это нормальные напряжения, действующие перпендикулярно сечению конструкции. Нагрузки, действующие в плоскости сечения (перерезывающие силы), вызывают касательные напряжения. Кроме того, конструкция может разрушиться от потери устойчивости (формы), что также проверяется расчётом.

Напряжение от растяжения G = P/S, где P – действующая сила растяжения, S - площадь сечения конструкции;

Напряжения от изгиба G = M/W, где M – изгибающий момент, W – момент сопротивления сечения конструкции

Расчёт нагрузки на корпус судна на тихой воде:

q = p – рgw, где q – распределение нагрузки по сечению, p – вес судна g – земное ускорение w – объём погружённой части корпуса судна, р – плотность воды

4.2. Эквивалентный брус.

Т.к. сечение корпуса судна довольно сложное, то при расчёте прочности его заменяют т.н. эквивалентным брусом (ЭБ), т.е. условной балкой с поперечным сечением из сосредоточенных у ДП простых геометрических фигур; обычно прямоугольников, площадь и момент инерции которых равны площади и моменту инерции сечения корпуса. Расчёт положения нейтральной оси (н.о.) ЭБ (нейтральная ось – плоскость, где балка при изгибе не испытывает напряжения): Z =ESi zi/Ezi, где Si – площадь сечения элемента ЭБ zi – расстояние от ц.т. площади элемента до н.о.

Расчёт момента инерции ЭБ(Jэб) : Jэб =Ei + ESo(zi – zo) 2 , где I – собственный момент инерции элемента ЭБ, Soi - площадь сечения элемента ЭБ, zi - расстояние от ц.т. сечения элемента ЭБ до оси сравнения, zo – расстояние от н.о. до оси сравнения. Момент инерции сечения – сумма собственного момента инерции /i/ и произведения площади сечения /S/на квадрат расстояния от оси симметрии сечения до оси сравнения /Zi – Zo/. W = J/Zo, где J – момент инерции сечения Zo – расстояние от нейтральной оси до крайней (наиболее удалённой от н.о.) точки сечения. W – момент сопротивления сечения. При предварительном проектиро-вании корпуса судна расчётный изгибающий момент вычисляется приближённо по формуле М = DL /К, где D - водоизмещение судна /т/, L - длина судна /м/, К – эмпирический коэффициент, зависящий от типа судна: танкер – К = 320-420, сухогруз, балкер – К = 330-370, малые суда – К = 300-320.

4.3. Местная прочность.

Это прочность отдельных участков корпуса судна при воздействии забортной воды, жидких перевозимых грузов, которую обеспе-чивают пластины внутренних поперечных и продольных перебо-рок, второго дна; палуб от воздействия палубного груза. «Прави-лами» регистра предусматриваются подкрепления в носовой части и районе КВЛ для судов ледового плавания: усиление обшивки, усиленные и дополнительные шпангоуты и пр.

4.4. Системы набора. Шпация.

Корпус судна представляет собой коробчатую пустотелую балку, состоящую из вертикальных и горизонтальных пластин (листовой металлической обшивки) и подкрепляющего набора (профиль прокатный и сварной). Пластина с приваренным набором называ-ется перекрытием: днищевое, бортовое, палубное перекрытия. По типу перекрытия конструируются также главные продольные и поперечные перекрытия, разделяющие внутреннее пространство корпуса на непроницаемые отсеки. Балки набора устанавливаются в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Обычно несколько более жёстких балок, идущих в одном направлении, поддерживают большее количество менее жёстких, идущих в по-перечном направлении. Эти балки называются соответственно пе-рекрёстными связями и балками главного направления. В зависи-мости от ориентации балок главного направления различают по-перечную и продольную систему набора судовых перекрытий. При поперечной системе набора балки главного направления идут поперёк судна от борта к борту (палуба и днище) и от днища к палубе (для борта). Набор разбивает полотнище перекрытия на пластины, длинная сторона которых располагается поперёк судна Поперечную систему набора для всех перекрытий применяют обычно на небольших судах с относительно небольшим соотно-шением L/H. Для больших судов – только для бортовых перекры-тий. При продольной системе набора балки главного направления располагаются по длине судна, а перекрёстные связи в виде рам – поперёк (рамные шпангоуты). В этом случае длинная сторона образуемой набором пластины располагается вдоль судна. Продольную систему набора применяют на крупных и быстроход-ных судах, а также для палубного и днищевого перекрытия судов с разными системами набора для разных перекрытий. При смешанной (квадратной) системе набора перекрытий набор состоит из сетки продольных и поперечных балок, расставленных на примерно равных расстояниях друг от друга. Конфигурация пластины, ограниченной набором, близка к квадрату. Обычно здесь более мощными делают поперечные балки.

Шпация. Расстояние между балками поперечного набора – это практическая шпация, которая получается в результате расчёта корпусных конструкций, в отличие от теоретической шпации, ко-торая равна 1/20 длины между перпендикулярами.

4.5. Основные конструктивные элементы корпуса (ОКЭК).

ОКЭК – это перекрытия (палубное, два бортовых, днищевое), гла-вные поперечные и продольные переборки, платформы и проме-жуточные палубы, форштевень, ахтерштевень, форпик, ахтерпик. Совместно ОКЭК образуют основной корпус судна.

4.5.1. Наружная обшивка (НО), палубный настил (ПН), настил 2-го дна (Н2). НО, ПН, Н2 – основные связи, определяющие общую продольную прочность судна, а также образуют непроницаемую оболочку судна, обеспечивающую мореходные качества судна. Кроме того, образуется .междудонное пространство. НО предста-вляет ряд поясьев, состоящих из отдельных листов, расположен-ных длинной кромкой вдоль корпуса судна. Ширина поясьев НО зависит от размеров судна и от величины поставляемого проката. Разбивка НО на поясья производится на чертеже растяжки наруж-ной обшивки. Это – развёртка НО одного борта на плоскость. При носовых и кормовых сужениях корпуса на растяжке образуются потеряи (объединение смежных поясьев). Поясья борта – борто-вые, днища – днищевые. Верхний пояс – ширстрек, в соединении борта с днищем – скуловой; днищевой в ДП – горизонтальный киль. ПН на листы разбивают на чертеже растяжки палубного нас-тила. Примыкающий к борту пояс палубного настила – палубный стрингер.

4.5.2. Днищевое перекрытие. Состав: НО, вертикальный киль, днищевые стрингеры (кильсоны), продольные рёбра жёсткости, флоры, настил 2-го дна, набор 2-го дна, скуловая кница, крайний междудонный лист; туннельный или коробчатый киль, проница-емые и непроницаемые флоры и стрингеры.

4.5.3. Бортовые перекрытия. Состав: НО, твиндечные и трюмные шпангоуты, бортовый стрингер (у ледоколов в носу и в корме – поворотные шпангоуты, устанавливаемые перпендикулярно к обшивке), ледовые усиления обшивки в районе ВЛ, добавочные шпангоуты. При поперечной системе набора – рамные шпангоуты при продольной – у танкеров.

4.5.4. Палубы и платформы. Платформы, расположены на части длины и/или ширины судна. Состав: настил верхней палубы, па-лубные бимсы, карлингсы, продольные рёбра жёсткости, пиллерсы, бимсовые кницы, карлингсы грузовых люков.

4.5.5. Главные продольные и поперечные переборки (ГППП). Первая поперечная переборка (таранная) образует форпик, пос-ледняя (ахтерпиковая) – ахтерпик. На судах без 2-го дна попереч-ные переборки устанавливают, на наружную обшивку. На судах с двойным дном – на второе дно, на непроницаемый сплошной флор. Переборки состоят из полотнища и набора. Полотнища – листы проката с увеличивающейся книзу толщиной. Набор – вертикальные стойки главного направления и горизонтальные балки (шельфы) – перекрёстные связи. Распространены, особенно для наливных судов, гофрированные переборки, на которых роль набора играют гофры. Участки, примыкающие к днищу и палубе, должны иметь плоские участки.

4.5.6. Выгородки и шахты. Выгородки образуют судовые поме-щения в междупалубном пространстве, надстройках, рубках пр. Их изготавливают преимущественно из тонколистовой стали, лёгких сплавов и др. материалов, смотря по назначению выгородки (асбосилит, ДСП и пр.). Стенки выгородок делают плоскими или гофрированными. По контуру выгородки предусматривается ко-мингс, к которому крепятся листы выгородки. Крепятся сваркой, клёпкой, механически лист вставляется в специальный профиль, который крепится к палубе. Листы толщиной до 3 мм отбурто-вываются и соединяются между собой, образуя отбуртовкой рёбра жёсткости. Шахта – специально выгороженный колодец, сое-диняющий две и более палубы. По конструкции мало отличается от выгородки (машино-котельные шахты, аварийные выходы и пр.).

4.5.7. Надстройки и рубки. Надстройка состоит из плоских пере-крытий, образующих борта, палубы, лобовую и концевую пере-борки. Надстройки устанавливают по всей ширине ВП, количество и длина их определяется конструктивным типом судна. Если средняя надстройка составляет более 15% длины судна, то она участвует (засчитывается) в обеспечении общей продольной прочности корпуса судна и называется длинной. Если менее 0.15 длины, то короткой. Лёгкие рубки большой протяжённости разделяют на участки длиной менее 5,5 высоты рубки, которые соединяют скользящими соединениями. Верхнее перекрытие рубки называют крышей, если оно не выходит за пределы рубки, и палубой, если выходит и доходит до бортов. Для надстроек и рубок широко применяют сплавы алюминия, что улучшает мореходные качества и увеличивает грузоподъёмность судна.

4.5.8. Фальшборт (ФБ), скуловые кили, привальный брус. ФБ ограждает открытые палубы от ветра и волн; представляет со-бой листовую конструкцию с набором. ФБ устанавливают в плоскости НО. Обычно высота его – 1м, повышенный (1.3-1,5) на лесовозах, ролкерах, контейнеровозах. ФБ подкрепляют кницами – стойками не реже, чем через 1,8м (1,2м на судах с палубным грузом). Поверх листа ФБ устанавливают планширь – листовую полосу или профиль. Поверх стальной полосы устанавливают деревянную. В нижней части ФБ устанавливают штормовые портики – зарешеченные отверстия для слива воды. Иногда В ФБ делается сплошной вырез в месте соединения его с ширстреком. Привальный брус – деревянная, резиновая или стальная конструкция (устройство); устанавливаемая вдоль борта выше палубы для предохранения борта при швартовке. Боковые (скуловые) кили – успокоители качки; устанавливаются в середине судна на протяжении 0,25-0,35 длины. Скуловые кили не должны выходить за плоскость борта и ОП по причине возможности повреждения. Их делают обычно плоскими с подкреплением внешней кромки круглым прокатом. Внутреннюю кромку делают гребенчатой (прерывистой) для избежания распространения трещин с киля на борт в силу сварочных деформаций.

4.5.9. Штевни и кронштейны гребных валов.

Штевни – форштевень и ахтерштевень – расположены в оконеч-ностях коруса судна и представляют сложные конструкции. Форштевень бывает литой, кованый, сварной, из литых и кованых деталей. Имеет вертикальное ребро, к которому крепится киль; горизонтальные рёбра – брештуки, - к которым крепятся палубы, платформы и стрингера. В надводной части судна брештуки уста-навливают по высоте через 1 м, в подводной – через 1,5 м /рис. 6.41.Ф.стр.154/. Размеры форштевня устанавливаются Регистром. Ахтерштевень – мощная литая или сварная балка, завершающая конструкции корпуса в корме. Состоит из старнпоста (передняя) и рудерпоста (задняя часть), яблока (усиленная часть ахтерштевня для размещения дейдвуда вала), расположенного в старнпосте; на рудерпосте расположено крепление руля. Старнпост и рудерпост в верхней части соединяются аркой, а в нижней – пяткой. В середине образуется окно для гребного винта. Для судов с полубалансирным рулём старнпост и рудерпост внизу не замыкаются. Винт работает в незамкнутом пространстве (корма открытого типа). Суда ледового плавания с крейсерской кормой с острыми образованиями должны иметь расположенный в корму от руля ледоотвод, защищающий руль от повреждений (ледовый зуб).

Кронштейны гребных валов – опорные конструкции для бортовых гребных валов. Кронштейны литые, реже – сварные, однолапые и двухлапые. Площадь сечения каждой лапы – не менее 60% пло-щади гребного вала. Лапы располагаются под углом 90 град. друг к другу; оси лап должны пересекаться на оси вала. Лапы привари-ваются к наружной обшивке и набору корпуса.

4.5.10. Дейдвудные трубы и мортиры. Дейдвудные трубы служат для поддержания гребного вала и обе-спечения непроницаемости в месте выхода гребного вала. Одним концом труба соединяется с ахтерпиковой переборкой, другим – с яблоком ахтерштевня. В месте соединения с переборкой ахтер-штевня устанавливается сальник. В дейдвудную трубу вставляют бронзовую или латунную втулку, в которой создают две опорных поверхности – подшипники скольжения (ранее изготавливались из твёрдого дерева бакаута, который смазывается водой), служащие опорой гребного вала. Для уменьшения вибрации гребного вала трубу жёстко соединяют с флорами, которые в этом районе утолщают. Мортиры обеспечивают непроницаемость в месте выхода из корпуса бортовых гребных валов. Мортира – труба с фланцами, отли-тыми по обводу корпуса в месте выхода вала. Фланец мортиры приваривается к наружной обшивке корпуса. Иногда мортиры делают сварными из литых и кованых частей. Непроницаемость обеспечивается сальником, аналогичным дейдвудному. Он устанавливается в носовом конце мортиры. Удлинённые мортиры служат также опорами гребного вала, выполняя роль кронштейнов.

4.5.11. Фундаменты и крепления.

Главные, вспомогательные механизмы, агрегаты, оборудование, устройства и пр. устанавливаются на судне на фундаментах, кото-рые воспринимают вес оборудования, силы инерции, возникаю-щие при качке и маневрировании, а также при работе по назначе-нию (неуравновешенные силы). Эти усилия фундаменты передают на более жёсткие конструкции. В местах установки фундаментов детали перекрытий усиливают подкреплениями. Фундаменты главных механизмов представляют собой продольные балки с опорными горизонтальными полосами, на которые ставят лапы или раму главного двигателя. Эти балки располагают в плоскости днищевых стрингеров и связывают одну с другой на каждом шпангоуте поперечными бракетами, а с наружной стороны под-крепляют кницами. Если балка фундамента не попадает на стрин-гер, то под настилом 2-го дна устанавливают дополнительные стрингеры меньшей высоты и флоры не на всю ширину судна (по-луфлоры, полустрингеры). В фундаментах под котлы предусмат-ривают конструкции, предотвращающие смещение котлов под действием сил инерции при качке и маневрировании. Фундамен-ты под вспомогательные механизмы представляют рамы с опор-ными площадками, подкреплёнными вертикальными бракетами. Они должны обеспечивать надёжное крепление механизмов и не вызывать местных вибраций корпусных конструкций. При повы-шенных требованиях к шумности и вибрации механизмов и ис-пользовании специальных амортизаторов под механизмы может быть применёна так называемая двухкаскадная амортизация, ко-торая имеет дополнительную опору (плиту), установленную в свою очередь на специальные амортизаторы.