CC BY
30В этом случае отношение ударных усилий будет следующим:
Таблш)а 3
Y 0,2 0,5 0,7
Vp. 1 0,984 1,065 1,292
Конечно, при решении вопроса о противоударных качествах перфорированных пластин следует учитывать уменьшение их жесткости, а следовательно и уменьшение ударных давлений. С другой стороны, нужен и анализ напряженно-деформированного состояния.
Список литературы
[1] Ершов Н.Ф.. Шахверди Г.Г. Метод конечных элементов в задачах гидродинамики и гидроупругости. - Л.: Судостроение, 1977.
THE FORMING OF DIFFERENTIAL EQUATIONES SYSTEM IN SYMMETRICAL TASK OF RIGID PLATE'S IMPACT ON WATER
M. V. Gorokhova
The task of plate '$ impact on water (solid and perforating plates) is considering. Based on hldrodynamical equationes, differential equationes system in symmetrical impact task is making (Bubnov-Halerkin procedure) and solving. The water column is consider like a one semihorderless element. Resultes to a solid and perforating plates are comparing.
УДК 629.12.001.33
В. Б. Протопопов, к. т. н., доцент, ВГАВТ. 603600, Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5.
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ «КОНСТРУИРОВАНИЯ КОРПУСОВ СТАЛЬНЫХ СУДОВ ВНУТРЕННЕГО И СМЕШАННОГО ПЛАВАНИЯ»
Приводится обоснование основных положений составленных по заданию Российского Речного Регистра рекомендаций по конструированию корпусов стальных судов, содержащих указания по компоновке набора корпуса, выбору профилей балок и конструктивному оформлению узлов соединения набора.
В морском судостроении наряду с основными Правилами Морского Регистра Судоходства (ПМР) существуют подробные руководящие материала и рекомендации по конструктивному оформлению элементов корпусных конструкций. Применительно к речным судам аналогичные материалы ранее отсутствовали. По заданию Российского Речного Регистра (РРР) на кафедре Сопротивления материалов, конструкции корпуса и строительной механики корабля подготовлен документ «Конструирование корпусов стальных судов внутреннего и смешанного плавания (рекомендации)» (в дальнейшем - Рекомендации), назначение которого - уменьшить трудоемкость проектирования, способствовать оптимизации и унификации конструкций, не ограничивая при этом
проектанта в принятии оригинальных прогрессивных конструктивных решений. При составлении Рекомендаций использованы материалы, содержащиеся в нормативных документах, в том числе в правилах иностранных классификационных обществ (КО), альбомах типовых конструкций, проектной документации большого числа судов. Учтен опыт эксплуатации судов.
В технической документации проектных организаций, в Правилах Российского Речного Регистра (ПРР), ПМР и ГОСТе 13641-80 для одних и тех же элементов корпуса зачастую используются различные наименования. Потому назрела необходимость в уточнении терминологии, попытка которой и была сделана в разделе «Общие положения» Рекомендаций. При этом предпочтение отдавалось коротким наименованиям, а там, где это возможно, состоящим из одного слова.
По-разному именуются и основные чертежи, представляющие набор корпуса. В связи с этим предлагается принять следующие наименования, достовернее отражающие сущность этих чертежей: «Конструктивные поперечные сечения корпуса» и «Схема набора корпуса» с добавлением при необходимости; «Продольный разрез», «Второе дно» ит, п.
В общих рекомендациях по конструированию наряду с некоторыми указаниями по уменьшению возможной концентрации напряжений оговариваются конструктивные и расчетные особенности сочетания сталей повышенной и нормальной прочности.
В корпусах современных речных судов в качестве балок холостого набора применяется преимущественно несимметричный полособульб, обеспечивающий некоторый выигрыш в массе. Однако из-за малой толщины стенки этот профиль не всегда сочетается с толстой обшивкой и не обеспечивает требуемую долговечность. Поэтому в некоторых случаях целесообразнее применять неравнополочный уголок, имеющий относительно большую толщину стенки, меньшую высоту профиля и меньшую стоимость. Это особенно относится к навесной конструкции набора, где относительно широкая полка уголка обеспечивает достаточную протяженность сварки в узле соединения с полкой балки рамного набора, что позволяет отказаться от постановки книц. Не оправдано игнорирование в качестве балок холостого набора и полосы. Применение этого дешевого профиля позволяет упростить сборку и сварку, а поэтому целесообразно в случаях, когда по условиям местной прочности достаточно небольшого момента сопротивления, например в качестве продольного набора палуб. Следует отметить, что уголок и полоса находят широкое применение в корпусах судов зарубежной постройки. Соответствующие соображения отражены в Рекомендациях.
Для облегчения подбора необходимого по условию прочности профиля балок в приложении приведены таблицы с выборками из ГОСТов содержащие основные характеристики (площадь сечения, момент сопротивления, момент инерции, в том числе и присоединенным пояском) неравнополочного уголка, симметричного и несимметричного полособульбов и полосы.
Обобщение данных о типоразмерах профилей балок рамного набора, заложенных в проекты более 100 судов внутреннего и смешанного плавания, показало отсутствие какой-либо унификации. Поэтому составлена таблица рекомендуемых сварных тавровых профилей, содержащая значения площадей и моментов сопротивления их сечения. При этом предусмотрена возможность применения стандартных прокатных полос и ленты не только для полки, но и для стенки профиля. При назначении толщины стенки учтена тенденция к уменьшению величины отношения высоты профиля к толщине, что объясняется часто имеющем место явлением потери устойчивости стенки при действии эксплуатационных нагрузок. В таблице это отношение не превышает 60. Каждой высоте профиля соответствует две-четыре толщины стенки, что позволяет экономно подобрать профиль с учетом толщины прилегающей обшивки и условий эксплуатации. Верхнее значение отношения толщины полки к толщине стенки дости-
гает двух, а отношение ширины полки к ее толщине не превышает 13,3, причем в большинстве случаев равно 10. Эти отношения выходят за рамки указаний действующих ПРР, которые следует признать неудачными. Максимальная высота профилей, заложенных в таблицу, ограничена значением 500 мм, а максимальный момент сопротивления - 1780 см3, что вполне достаточно для балок набора речных судов.
Преимуществом гнутых (отфланцованных) профилей является снижение трудоемкости их изготовления, однако этому профилю присущ ряд серьезных недостатков, а поэтому на его применение накладывается ряд ограничений. Не все ясно и с вопросом об учете в расчетах несимметричности профиля. Как представляется, такой профиль целесообразно применять лишь при небольших моментах сопротивления, хотя следует отметить, что в таблицах для подбора сечения балок рамного набора, содержащихся в правилах зарубежных КО фигурируют гнутые профили с высотой до 959 мм. В Рекомендациях таблица для подбора гнутых профилей не приводится.
Для облегчения подбора прокатных двутавров и швеллеров, используемых в качестве навесных балок рамного набора, в приложении приведены характеристики этих профилей.
В Рекомендациях расширены указания ПРР, касающиеся формы и размеров вырезов в стенках балок набора. Приведены различные рекомендуемые конструктивные варианты подкрепления стенок для обеспечения их устойчивости, в том числе в районе вырезов.
Как показали расчеты, при использовании введенных ПРР издания 1994 года указаний, касающихся подкрепления стенок, необходимые по условию устойчивости расстояния между вертикальными (перпендикулярными полке) ребрами жесткости получаются столь незначительными, что возможность их установки становится проблематичной. Во многих случаях выгоднее пойти на увеличение толщины стенки, что одновременно повысит долговечность набора и уменьшит вероятность кромочных деформаций. Следует отметить, что эти указания существенно жестче аналогичных указаний других КО. Поэтому в основном рекомендуются варианты с ребрами, параллельными полке ребрами. В районе совместного действия значительных моментов и перерезывающих сил наиболее эффективно подкрепление наклонными (диагональными) ребрами, поэтому приведены схемы возможных вариантов такого подкрепления. В тех случаях, когда желательно применение вертикальных ребер, например для часто применяющегося на практике варианта с установкой ребер в плоскости балок холостого набора днища и второго дна, в Рекомендациях предлагается устанавливать промежуточные ребра, причем только в районе действия больших перерезывающих сил.
В разделе «Соединение и окончание балок набора» приведено значительное число рекомендуемых вариантов конструктивного оформления этих узлов.
В последнее время широкое распространение получил тип соединения балок холостого и рамного набора с помощью планок. Однако преимущества этого типа представляются сомнительными, Очевидно, что он уступает по надежности кничному соединению и даже бескничному со сваркой стенок. По некоторым данным этот вид соединения является наиболее трудоемким. Планка перекрывает большую часть выреза, что препятствует перетеканию жидкости. Соединение с помощью планки введено в ПРР, однако приведенный там рисунок неудачен. Поэтом в Рекомендации приведены два рекомендуемых варианта такого соединения и схематично иные допустимые варианты. Значительными технологическими преимуществами обладает узел со свободным проходом балки холостого набора через стенку балки рамного набора. Такой вариант применялся на некоторых судах даже для днищевого набора. Однако надежность его вызывает опасения. Отмечались случаи возникновения трещин в углах вырезов. Поэтому в Рекомендациях предусмотрен острожный подход - такой узел до-
пускается по согласованию с РРР для второстепенных слабо нагруженных конструкций, в частности для выгородок, надстроек, крышек люков.
В 50...60 годы в речном судостроении широко внедрялись гофрированные конструкции. В последнее время наметилась тенденция к сокращению применения таких конструкций для прочных переборок и внутренних бортов, а от гофрированной наружной обшивки за исключением мелких судов вообще отказались. В основном это вызвано проявившейся во многих случаях меньшей надежностью и низкой ремонтопригодностью таких конструкций. Поэтому представляется, что применение прочных гофрированных переборок может быть целесообразным лишь на наливных судах, где они помимо выигрыша в весе и трудоемкости облегчают зачистку. Как показал анализ заложенных в конструкции прочных переборок судов 20 проектов, унификация сечения гофров практически отсутствует. В Рекомендациях в приложении дана таблица характеристик гофров трапециевидного сечения, которые могут быть использованы для прочных переборок. Волнистые гофры в речном судостроении не нашли применения, что вполне оправдано. Вопреки указаниям ПРР прочные продольные переборки рекомендуется выполнять с горизонтальными гофрами, а для поперечных переборок допускаются и горизонтальные. Именно такой вариант ориентации гофров предусмотрен и в ПМР. Внесены некоторые уточнения и изменения по сравнению с ПРР конструкцию соединения гофрированных переборок с обшивкой и в способы подкрепления их рамным набором.
Целесообразность выполнения гофрированными второстепенных конструкций типа выгородок, цистерн, стенок надстроек и т. п. не вызывает сомнений. Тонкие гофрированные листы, используемые для таких конструкций, рекомендуется назначать согласно распространяющимся на них ГОСТам, поэтому соответствующие выборки из них приведены в приложении. Кроме того, приведена таблица характеристик треугольных и полукруглых гофров, заимствованная из ПРР издания 1984 года.
На современных грузовых судах внутреннего и смешанного плавания в средней части корпуса применяется в основном продольная система набора днища и второго дна, позволяющая увеличить продольную прочность корпуса и более технологичная, чем поперечная. Так, по некоторым данным объем работ в междудонном пространстве составляет 15...20 % при продольной и 28...35 % при поперечной системе. В Рекомендациях применение продольной системы рекомендуется на грузовых и пассажирских судах длиной более 60 м. Однако у открытых бункерных судов с продольной системой набора двойного дна при отсутствии в трюме поперечных переборок могут возникнуть осложнения с обеспечением поперечной прочности и жесткости. В этом случае присоединенные пояски, а следовательно и моменты сопротивления и инерции сечения флоров существенно меньше, чем при поперечной системе. Поэтому может оказаться рациональной комбинированная система - продольная в районе двойных бортов и поперечная в трюме или продольная на участках днища, прилегающих к бортам, и поперечная в средней по ширине части корпуса.
ПМР и зарубежные КО допускают большее расстояние между флорами, чем ПРР. Однако это не может служить основанием для увеличения допустимой наибольшей рамной шпации. На основании анализа повреждений и переломов большого числа судов О.И. Свечниковым было установлено, что большая часть корпусов с рамными шпангоутами, размещенными через четыре шпации, оказались недостаточно надежными. Для наливных судов ПРР допускают рамную шпацию до 2,4 м, с чем нельзя согласиться, учитывая повышенные требования, предъявляемые к корпусу наливных судов с точки зрения возможного загрязнения окружающей среды. В то же время требование действующих ПРР к размещению флоров через две шпации на судах-площадках представляется неоправданно жестким. Поэтому в Рекомендациях указывается, что расстояние между сплошными флорами при продольной системе не долж-
но превышать 2,0 м для всех типов судов, а при поперечной системе - 2,0 м на грузовых судах и 2,4 м на пассажирских судах.
Большинством КО допускается меньшая высота двойного дна (ДД) но сравнению с требуемой ПРР. Однако осуществить доступность междудонного пространства при высоте 650...700 мм затруднительно, а поэтому отступать от норматива ПРР нет оснований, тем более с учетом требований к обеспечению непотопляемости.
С целью сокращения работ в междудонном пространстве предложена конструкция составного флора ДД, состоящего из нижних и верхних балок и соединительных листовых элементов типа бракет, привариваемых к полкам этих балок. Возможный вариант такой конструкции приведен в Рекомендациях. Устранить работы в междудонном пространстве позволяет низкое («глухое») ДД, которое нашло применение на некоторых небольших судах и лихтерах. Применение такого ДД допускается ПРР и в Рекомендациях приведено два рекомендуемых его варианта.
На некоторых танкерах для ускорения стекания жидкого груза предусмотрено наклонное к ДП второе дно, а иногда и желоб («корыто»). Наклон второго дна несколько осложняет технологию изготовления, но с точки зрения прочности возражений не вызывает, а поэтому допускается в Рекомендациях без ограничений, хотя следует отметить, что ПМР допускают угол наклона не более 3°. Наличие же желоба крайне нежелательно, поскольку в месте слома верхнего присоединенного пояска значительно уменьшается его ширина и возникает концентрация напряжений. В результате расчета напряженного состояния этого узла применительно к танкеру типа «Волгонефть» (расчет выполнен С.Н. Гириным) установлено, что напряжения по кромке желоба почти в семь раз превышают напряжения в сечении, удаленном от желоба, и существенно больше предела текучести. Поэтому в Рекомендациях предложено или отказаться от этого узла или предпринять специальные конструктивные меры по его усилению, сопровождаемые соответствующим расчетом.
В ПРР для распорок, соединяющих балки бракетного флора или продольные балки холостого набора ДД, регламентируется площадь их сечения, которая должна быть не менее площади меньшей из соединяемых балок. Очевидно, что непосредственная связь межу этими площадями отсутствует. Для работающих на сжатие распорок следует нормировать прочность и устойчивость исходя из действующих нагрузок. Соответствующие простые формулы приведены в Рекомендациях.
В ПРР отсутствуют указания о конструкции набора на судах, перевозящих контейнеры. Между тем, имели место серьезные неприятности при произвольном размещении контейнеров на втором дне. Поэтому в Рекомендациях приведены конструктивные меры, обеспечивающие прочность ДД при перевозке контейнеров.
ПРР требуют в машинном отделении (МО) устанавливать сплошные флоры на каждом шпангоуте. Правила других КО в ряде случаев допускают в МО продольную систему с флорами, установленными через две шпации. Учитывая необходимость обеспечения значительной жесткости перекрытия МО и малый выигрыш в массе и трудоемкости при замене сплошных флоров на бракетные, с требованием ПРР следует согласиться. Лишь при значительной длине МО или при применении подвесных фундаментов по согласованию РРР от этого требования можно отступить.
В ПРР отсутствуют указания о возможном облегчении рамного набора днищевого и палубного перекрытий при установке пиллерсов. Рекомендации это допускают при наличии соответствующих расчетов.
Согласно ПРР в носовой оконечности и ахтерпике должна применяться поперечная система набора с флорами, установленными на каждом шпангоуте. Некоторыми правилами других КО допускается в оконечностях и продольная система. При санных обводах оконечностей, примененных на ряде барж, продольная система технологичнее и более приспособлена к восприятию усилий, возникающих при толкании.
Поэтому для такого случая Рекомендации допускают применение в оконечностях продольной системы с флорами, установленными через две шпации.
Считается, что в основном предусмотренная ПРР поперечная система набора борта лучше, чем продольная приспособлена к восприятию местных эксплуатационных нагрузок, хотя подтверждающие это достоверные наблюдения нам не известны. Правила других КО допускают, а в некоторых случаях даже рекомендуют применение продольной системы. Следует отметить, что продольная система борта применена на ряде речных судов, причем даже имеющих в классе добавку «лед». Удачным решением следует признать нашедшую широкое применение на современных высокобортных судах комбинированную систему, состоящую из продольных балок в верхней части борта, входящей в верхний поясок эквивалентного бруса, и шпангоутов, в районе наиболее вероятного воздействия эксплуатационных нагрузок. Исходя из выше сказанного, в Рекомендациях поперечная система лишь рекомендуется, но допускается применение продольной и комбинированной.
Из Рекомендаций исключено требование ПРР об обязательном подкреплении ширстрека и верхней части внутреннего борта продольными ребрами жесткости. Такие ребра лишь допускаются, если они полезны для увеличения общей прочности. Изменен и подход к назначению их сечения.
Уточнены указания, касающиеся размещения бортовых стрингеров. Так, рекомендуется устанавливать стрингер на уровне нижнего привального бруса, а при замене бруса полосой стрингер обязателен. Это вызвано отмечавшимся смятием стенок рамного набора в узле пересечения с брусом и деформациями холостых шпангоутов. При продольной системе набора стрингеры по внутреннему борту допускается не устанавливать.
При раздельном рамном наборе двойных бортов обычно устанавливаются распорки, соединяющие эти балки, однако какие-либо указания на этот счет в ПРР отсутствуют. Этот пробел в Рекомендациях устранен. Постановка распорок рекомендуется, приведены коэффициенты, учитывающие благоприятный эффект от них для прочности рамных шпангоутов, а также требуемые значения площади и момента инерции распорки. В качестве распорки рекомендуется применять как наиболее рациональный профиль равнополочный уголок, характеристики которого даны в приложении.
В Рекомендации введены указания, касающиеся конструкции диафрагм, устанавливаемых в двойных бортах (толщина, вырезы, подкрепление).
При установленной ПРР шпации в оконечностях, равной 500 мм, фактический пролет пластины по борту может достигать 800 мм. Между тем, гидродинамические нагрузки особенно в носовой оконечности могут быть значительными. Поэтому введено указание о том, что максимальное расстояние между шпангоутами не должно превышать 500 мм по верхней палубе.
В Рекомендациях приведено значительное число рекомендуемых типовых узлов соединения балок набора борта с набором днища и палубы.
В ПРР отсутствуют указания относительно системы набора палубы, в то время как в большинстве правил других КО такие указания содержатся. В Рекомендациях на судах длиной более 80 м, а также в районе грузовых люков независимо от длины судна рекомендуется продольная система набора палубы. Продольная система набора палубы допускается и в МО и оконечностях. Поперечные палубные межлюковые перемычки в районе поперечных переборок рекомендуется выполнять по поперечной системе.
Внесены некоторые изменения в размеры закругления углов вырезов. При рекомендуемой параболической или эллиптической форме допускается уменьшать требуемый ПРР радиус скругления на 30 %.
С целью упрощения зачистки трюма и уменьшения потерь от коррозии на некоторых танкерах последних проектов палубный набор размещен поверх настила. Нахо-
дит применение тронковая конструкция палубы наливных судов. Соответствующие конструктивные рекомендации внесены в Рекомендации.
На некоторых бункерных судах, в трюме которых отсутствуют поперечные переборки, значительные горизонтальные деформации двойных бортов приводят к нарушению работы люковых закрытий. Поэтому возродилась идея увеличения поперечной жесткости трюмов путем установки в районе палубы коробчатых перемычек («озд»). В частности такой вариант подкрепления проработан применительно к теплоходам типа «Волго-Дон». В связи с этим некоторые указания, касающиеся закрепления этих перемычек, приведены в Рекомендациях.
Приведенные в Рекомендациях указания, касающиеся конструкции комингсов люков, основаны преимущественно на обобщении проектных материалов. При этом особое внимание обращено на меры по уменьшению концентрации напряжений. Регламентируются толщины, способы подкрепления, узлы окончания комингсов и возможные сочетания стали повышенной прочности со сталью нормальной прочности.
В рекомендациях приведены дополнения к ПРР и уточнения, касающиеся конструкции пиллерсов и ферм. В частности регламентируется минимальная толщина стенки пиллерса. В приложении даны характеристики сечения труб.
Проект Рекомендаций утвержден Научно-техническим Советом РРР.
THE BASIC ORDERS OF "DESIGNING OF RIVER AND RIVER-SEA TYPE SHIP'S HULL"
V. B. Protopopov
It is considering of basic orders and recommendation to Rushian River R.egister in part of hull construction's designing (size and type of framing, type of girder's connecting).
УДК 629.12.073.243.4
/У. В. Малых, аспирант, ВГАВТ.
603600, Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5.
К РАСЧЁТУ ПРОДОЛЬНОЙ КАЧКИ СУДОВ СМЕШАННОГО ПЛАВАНИЯ
Анализ результатов расчёта параметров продольной качки по авторской программе, их сопоставление с результатами, получаемыми по другим программным комплексам, а также с данными экспериментов, проведённых автором.
Существующие в настоящее время методы расчёта и расчётные программные комплексы по определению характеристик положения судна относительно воды при качке его на регулярном волнении создавались применительно к морским судам и в практике морского судостроения зарекомендовали себя весьма хорошо [1,2]. Однако, для судов смешанного плавания, обладающих существенными отличиями по форме корпуса и главным размерениям с морскими судами, эти методьг не всегда дают приемлемые результаты. В связи с этим автором была создана программа "ПРОКС" по расчёту характеристик продольной качки судна и кинематических параметров носовой оконечности.
