Вопросы прочности судов открытого типа Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

СУДОСТРОЕНИЕ И ОКЕАНОТЕХНИКА

УДК 629.12.011

А.П. Герман, В.В. Новиков, Г. П. Шемендюк

ГЕРМАН АНДРЕЙ ПЕТРОВИЧ - старший преподаватель кафедры кораблестроения и океанотехники Инженерной школы (Дальневосточный федеральный университет, Владивосток). E-mail: [email protected]

НОВИКОВ ВАЛЕРИЙ ВАСИЛЬЕВИЧ - кандидат технических наук, доцент кафедры кораблестроения и океано-техники Инженерной школы (Дальневосточный федеральный университет, Владивосток). E-mail: [email protected]

ШЕМЕНДЮК ГЕННАДИЙ ПЕТРОВИЧ - кандидат технических наук, профессор кафедры кораблестроения и океанотехники Инженерной школы (Дальневосточный федеральный университет, Владивосток). E-mail: [email protected]

ВОПРОСЫ ПРОЧНОСТИ СУДОВ ОТКРЫТОГО ТИПА

Приводится анализ напряженного состояния палубного перекрытия судна смешанного плавания с большим раскрытием палубы. Делается заключение о повышенной нагружен-ности продольных связей при одновременном изгибе корпуса судна в горизонтальной, вертикальной плоскостях и кручении, что является одной из основных причин повреждаемости конструкций. Выполнен расчет прочности отсека корпуса морского судна с широким раскрытием палуб при эксплуатационных нагрузках, вызывающих сужение кромок люковых вырезов. Предлагается расчетное обоснование установки съемных распорных бимсов, предотвращающих сближение бортов.

Ключевые слова: широкое раскрытие, палуба, прочность, повреждения, эксплуатационные нагрузки.

The issues of the strength of open ships. Andrey P. German, Valeriy V. Novikov, Genna-dy P. Shemendyuk, School of Engineering (Far Eastern Federal University, Vladivostok).

The paper presents a study of the stress state of the decks of mixed ships having wide deck opening. A conclusion has been drawn that the higher than usual loading on linear linkage when the ship hull bends simultaneously in horizontal and vertical planes as well as in torsion causes damages of the structures. The strength of the hull compartments with wide hatches when being exploited has been calculated. It contains rated data to mount removable spacer beams preventing convergence of ship sides.

Key words: wide opening, deck, strength, damage, operational loads.

© Герман А.П., Новиков В.В., Шемендюк Г.П., 2013

Суда с широким раскрытием палуб имеют малую жесткость палубных конструкций, соответственно корпуса, что обусловливает возникновение повышенных деформаций при эксплуатационных нагрузках [1, 4, 7].

Большие люковые вырезы уменьшают крутильную жесткость судна и жесткость корпуса в поперечном направлении. Вследствие этого кручение корпуса приводит к появлению дополнительных нормальных напряжений в палубном перекрытии, причина которых - стесненность депланаций сечений, а поперечная нагрузка может вызвать сужение просвета люка из-за сближения бортов. В некоторых случаях из-за высокой нагруженности продольных связей и концентрации напряжений в конструкциях образуются многочисленные трещины. Особенно это проявляется на судах смешанного плавания, эксплуатирующихся в тяжелых условиях Дальневосточного бассейна [3, 5]. На судах с широким раскрытием палуб для предотвращения сближения бортов иногда требуется устанавливать съемные усиленные бимсы, которые выполняют роль распорок.

Для решения проблемы обеспечения прочности и жесткости корпуса судна открытого типа необходима оценка напряженно-деформированного состояния конструкций при общем продольном изгибе и скручивании судна, а также при поперечных гидродинамических нагрузках, действующих на перекрытия.

Ниже рассмотрено напряженное состояние двух конструктивно разных судов, имеющих большую ширину люковых вырезов и подвергающихся действию эксплуатационных нагрузок в разных условиях их воздействия.

Совместное действие вертикального и горизонтального

изгибающих и крутящего моментов

Для определения степени нагруженности корпуса судна с широким раскрытием палуб проведено изучение напряженного состояния на примере судов проекта 1743 с учетом совместного действия нагрузок, приводящих к общему продольному и изгибу в горизонтальной плоскости изгибам и кручению корпуса. По рекомендациям «Правил...» [6], суммарные напряжения об определялись с использованием коэффициента увеличения напряжений от изгиба в горизонтальной плоскости и кручения К^, который зависит от длины судна и соотношения действующих в рассматриваемой связи напряжений от разных нагрузок:

О = О + О + < 190/п,

где ош - нормальные напряжения от действия изгибающего момента на тихой воде Мш; о -нормальные напряжения в рассматриваемом сечении от действия статического крутящего момента Ыи; а„ - нормальные напряжения от действия волнового изгибающего момента Ы„; П - коэффициент использования механических свойств стали 1 - для стали с верхним

пределом текучести ЯеН = 235 МПа); К б =

\

1 + 0.15

0.85 +

ь

600

О , О

чО О у

ои - нормальные напряжения от действия волнового изгибающего момента в горизонтальной плоскости; о^ - суммарные напряжения стесненного кручения.

Напряжения от действия статического крутящего момента определялись в соответствии с методикой расчета прочности судов с широко раскрытыми палубами при кручении, изложенной в [8]. Для корпуса (рис. 1) были определены: секториальные и геометрические характеристики сечений корпуса; функции циркуляции касательных усилий; эпюры начальных и главных площадей (рис. 2), положение центра кручения, главный секториальный полярный момент инерции сечения, момент инерции чистого кручения и коэффициенты депла-нации.

2

Рис. 1. Схема поперечного сечения корпуса (мидель)

Определялись также бимоменты и нормальные напряжения в разных сечениях по длине грузовых трюмов судна и в связях палубы от изгиба палубного стрингера. Результаты расчета нормальных напряжений при действии различных нагрузок приведены в табл. 1.

Совместное действие вертикального и горизонтального изгибающего и крутящего моментов вызывает появление высоких суммарных напряжений, близких по величине к пределу текучести стали, в верхних поясках эквивалентного бруса. В палубе и комингсе люка при совместном действии нагрузок наблюдаются напряжения, превышающие допускаемые напряжения 220 МПа>190 МПа.

Многочисленные концентраторы напряжений и «жесткие точки» повышают действительный уровень напряжений в элементах комингса, вследствие чего при некоторых режимах волнения при движении судна образуются массовые трещины.

Особый интерес представляет напряженное состояние палубы в районе люка [ 1, 4, 7].

Деформация палубной кромки позволяет предполагать наличие сжимающих продольных напряжений в углах люка при растягивающих у борта. В тех же сечениях, но у борта можно ожидать появление напряжений другого знака - участок палубы между бортом и люком изгибается в горизонтальной плоскости - и этот изгиб тем сильнее, чем длиннее люк. Наибольшие напряжения оказываются в сечениях у поперечных комингсов (рис. 3).

Нормальные напряжения в верхних связях корпуса

Расчетная величина Состояние корпуса Напряжения в палубном стрингере, МПа Напряжения в полке продольного комингса, МПа

О Перегиб 108 135

Прогиб -116 -144

Перегиб 42 52

Прогиб -47 -58

О Кручение 56 56

О Горизонтальный изгиб 37 37

Ке 1,01 1,02

О Перегиб 207 246

Прогиб -220 -260

Таким образом, нормальные напряжения в корпусе при скручивании суммируются из напряжений силового воздействия перемычек и от скручивающего момента. Расчеты для принятого судна показывают, что большая часть суммарных напряжений (~90%) приходится на нормальные напряжения от изгиба палубного стрингера.

Для определения изгибающих моментов от изгиба палубного стрингера при действии сосредоточенных бимоментов принята расчетная схема, по которой палубный стрингер рассматривается как неразрезная балка, лежащая на упругом основании (на шпангоутных рамах). Балка жестко заделана по обоим концам и свободно опирается на переборках с нагрузкой от сосредоточенных моментов в районе перемычек (на поперечных переборках) (рис. 4).

После определения коэффициента жесткости упругого основания и узловых изгибающих моментов рассчитывались момент сопротивления палубного стрингера с учетом присоединенного пояска и нормальные напряжения в стрингере при его изгибе в различных сечениях по длине трюма (табл. 2).

В условиях совместного действия моментов крутящего и действующих в вертикальной и горизонтальной плоскостях палубный стрингер вместе с присоединенным пояском (комингс люка и участок борта) изгибается еще более. При этом верхняя часть комингса и его полка, очевидно, будут изгибаться с отставанием из-за различия в изгибной жесткости. Все эти факторы и являются предпосылками появления повреждений.

25,24

30,42

30,42

11,2

Е

-15,4

Д

-20,94

ЩШШ^"1 0

Рис. 2. Эпюра главных секториальных площадей

ар

Оп

Оп

Рис. 3. Наложение напряжений от общего продольного изгиба и изгиба элементов палубы из-за кручения корпуса

М5

р

Рис. 4. Расчетная схема к раскрытию статической неопределимости изгиба палубного стрингера

Изгибающие моменты и нормальные напряжения в палубном стрингере

Сечение по длине трюма 1 2 Мидель 3 4 5

Изгибающий момент М, кНм 212 424 430 437 450 225

Напряжение сти, МПа 26 52 53 54 55 28

На судах выбранного проекта и на подобных ему судах неоднократно наблюдались потеря плоской формы некоторых контрфорсов, подкрепляющих продольные комингсы, и образование трещин в листе присоединения их к палубе [5]. Трещины, как правило, зарождаясь в точках концентрации напряжений, беспрепятственно распространяются до полного разрыва связи по высоте комингса и далее в палубу вследствие высокого уровня напряжений от общего продольного изгиба. Типичным примером повреждений из-за прерывистости связи являются трещины в стойках фальшборта в районах разрезов фальшбортов, распространяющиеся на палубу (рис. 5).

Рис. 5. Участок палубного перекрытия судна пр. 1743. 1 - трещина в стенке рамного шпангоута, 2 - трещина в полке комингса в районе жесткой точки, 3 - трещина в фальшборте, 4 - трещина в палубе, 5 - потеря устойчивости стенкой контрфорса, 6 - трещина в стенке контрфорса, 7 - трещина в сварном шве, 8 - трещина в листе подпалубной цистерны у голубницы

Представляет интерес сопоставление расчетных данных для рассмотренного судна смешанного плавания и морского судна меньших размеров, но с большим раскрытием палубы (табл. 3), расчеты по которому сделаны инж. О.А. Горетым [2]. Очевидно, что суда смешанного плавания, хотя и с несколько меньшим раскрытием палубы, обладают повышенной

гибкостью и относительно небольшой жесткостью (рис. 6). В результате продольные связи палуб оказываются перегруженными, что свидетельствует о необходимости расчета для них прочности при кручении и учета совместного действия различных нагружений корпуса при проектировании конструкций.

Таблица 3

Расчетные величины и характеристики

Расчетные величины и характеристики судна Судно смешанного плавания пр.1743 Т/х «M» универсальный сухогруз, построен в 1985 г. по проекту Imabari Shipbuilding Co.

Размерения, Ь*Б*И, м 109,6*15,3*5,0 66*11,5*6,7

Отношение ширины люка к ширине судна 0,70 0,80

Конструктивные особенности Несколько одинаковых трюмов, двойные борта Один длинный трюм. Двойные борта доходят до нижней палубы

Момент инерции поперечного сечения корпуса относительно горизонтальной оси 2,84 м4 3,45 м4

Момент инерции поперечного сечения корпуса относительно вертикальной оси 17 м4 12,0 м4

Главный секториальный момент инерции сечения 231 м6 98 м6

Положение центра кручения относительно основной плоскости -1,86 м -1,65 м

Коэффициент депланации сечения 0,986 0,939

Отношение крутящего момента к волновому изгибающему моменту 0,18 0,06

Максимальные суммарные напряжения в палубе при изгибе корпуса в горизонтальной и вертикальной плоскостях и при скручивании 220 МПа 170 МПа

Действие на борт поперечной нагрузки со стороны моря и противодавление груза в трюме

Примером возникновения существенных деформаций из-за малой жесткости палубного стрингера могут служить деформации палубы на т/х «Seatiger», которые после полной загрузки трюмов железной рудой привели к сужению просвета люкового выреза. В результате этого резиновые уплотнения крышки не совпадали с ребрами уплотнения, и катки крышек не попадали на штатные гнезда в походном положении (рис. 7). По данным проведенных авторами замеров, сужение просвета люка при загрузке трюмов достигало ~ 150 мм (производились замеры диагоналей и расстояния между продольными комингсами в середине люка в период от начала до конца погрузки).

Судно имеет один длинный трюм и широкое раскрытие палубы (отношение ширины люкового выреза к ширине судна составляет 84,4%), что предопределяет относительно высокую гибкость конструкций корпуса.

Рис. 6. Судно смешанного плавания под погрузкой металлолома в г. Большой Камень (перегиб в средней части достиг ~170 мм). Фото авторов, 2008 г.

При изгибе палубного стрингера существенную роль играют факторы, связанные с наличием реакций борта в виде внецентренно приложенных усилий и бортовой нагрузки [1]. Г.В. Бойцов предлагает зависимость, лимитирующую степень раскрытия палубы в связи с возможными деформациями палубного стрингера и продольных комингсов, в виде

—>(0,7 н- 0, 8)

Ь

<5П 2-^-

Ьп.с.

С—)

Чо(г

где Ъп . с. - ширина палубного стрингера; Кш - высота стенки шпангоута; т] - коэффициент относительного изменения момента сопротивления корпуса на уровне рассматриваемой связи по сравнению с требуемым нормативными документами для верхней палубы; - высота эквивалентной расчетной волны; - приведенная толщина продольных связей палубного стрингера, см; - суммарная площадь поперечного сечения продольного комингса и расположенного под ним карлингса; Ь - длина судна, м.

Расчеты, выполненные по этой формуле, показали, что для т/х «8еай§ег» ограничение степени раскрытия верхней палубы должно составлять = 0,20, в то время как фактическое значение равно —пС; = 0,13. По-видимому, по этой причине на подобных судах обычно предусмотрена установка съемных бимсов в пролете люка трюма на нижней и на верхней палубах. На т/х «8еай§ег» съемный бимс был установлен только на нижней палубе, что и вызвало изгиб палубного стрингера при загрузке трюма тяжелой рудой.

Для проверки прочности отсека были выполнены расчеты его напряженно-деформированного состояния*. В качестве инструмента использован метод конечных элементов (МКЭ) в варианте перемещений, реализованный в программном комплексе FESTA (разработка Санкт-Петербургского государственного морского университета).

Рассмотренная конструкция моделировалась стержневыми конечными соединяемыми в узлах элементами с 12 степенями свободы. Рассчитывали одну четвертую часть корпуса с

*Расчеты МКЭ выполнены с участием инженера Е. Казакова.

учетом симметрии по ДП и миделю между переборками трюма. Набор аппроксимировался профилями, максимально приближенными к судовому набору. Были рассчитаны различные варианты с целью определения наиболее эффективного. Вариант установки распорки на уровне верхней палубы на миделевом сечении оказался неэффективным, посколько шпангоут в этом сечении и так достаточно жесткий. Установка дополнительной распорки почти никакого влияния на напряженное состояние не оказывала. Поэтому остановились на двух описанных ниже вариантах.

Конечно-элементная модель показана на рис. 8. Были рассчитаны два варианта: первый - с одной распоркой в миделевом сечении на уровне твиндечной палубы и второй -с двумя распорками на уровне верхней палубы.

Давления на корпус принимались действующими со стороны моря [6] с учетом противодавления груза. На рис. 9, 10 представлено распределение изгибающих моментов и перемещений элементов связей. Максимальные значения напряжений в конструкциях показаны в табл. 4.

Рис. 7. Смещение катков люковой крышки от штатного гнезда по левому борту в средней части трюма (блестящая полоса)

Рис. 8. Расчетная схема

Рис. 9. Изгибающие моменты

Рис. 10. Перемещения узлов

Таблица 4

Максимальные напряжения в элементах корпуса

Максимальные нор- Максимальные каса-

Конструкция мальные напряжения, МПа тельные напряжения, МПа

Флоры 91 25

Рамные шпангоуты между днищем и НП 74 14

Рамные шпангоуты между ВП и НП 115 37

Скула 50 31

Вторая палуба 256 50

Верхняя палуба 269 36

Днищевой стрингер 56 35

Вертикальный киль 71 54

Силовой шпангоут между днищем и НП 116 38

Силовой шпангоут между ВП и НП 189 31

Штатный закладной бимс 21 0

Проектируемый закладной бимс 38 0

Уровень нормальных напряжений в палубах и силовом шпангоуте оказался сопоставим с пределом текучести материала, равным 235 МПа.

Максимальные перемещения на уровне верхней палубы в поперечном направлении для рассчитываемой части корпуса составляли 27 мм.

Следует отметить, что по расчету суммарное сужение люкового просвета с двух бортов составило 54 мм (согласно симметрии расчетной схемы). Так как правый борт судна в силу большей жесткости из-за фундаментов кранов, установленных только на этом борту, почти не перемещается, расчетная величина смещения видна на фото (см. рис. 7). Разница между фактическими и расчетными значениями объясняется идеализацией расчетной схемы и возможным неучетом дополнительных нагрузок при общем изгибе корпуса судна на тихой воде.

Таким образом, расчет конструкций показал, что причиной выхода катков из своих гнезд является перемещение комингсов люка к диаметральной плоскости внутрь судна. При этом перемещения палубного стрингера верхней палубы и палубы твиндека оказались практически одинаковыми (рис. 10).

Перемещения уменьшились в районе миделя на двойном рамном шпангоуте, где установлен единственный распорный бимс твиндечной палубы.

Для выбора рационального места установки бимса-распорки проводились дополнительные расчеты, которые показали, что при установке двух распорок симметрично относительно миделя, в районе расположения кранов, на уровне верхней палубы возникали значительные по величине изгибающий момент в заделке на твиндечной палубе и усилие в распорном бимсе.

Поэтому в качестве рационального варианта следует принимать установку одного распорного бимса в районе миделя, в месте, где постоянно находится съемный бимс на уровне твиндечной палубы. Ожидаемое смещение бортов внутрь трюма при этом находится в пределах 15-20 мм.

Итак, мы можем сделать следующие выводы.

1. Повреждения судов смешанного плавания, эксплуатирующихся в тяжелых условиях ДВ бассейна, являются типичными и проявляются в большей или меньшей степени - в зависимости от опыта капитана и экипажа (слежение за техническим состоянием корпуса и соблюдение правил хорошей морской практики). Основная причина эксплуатационных повреждений конструкций - высокая степень напряженности корпусных конструкций судов открытого типа при совместных деформациях от вертикального и горизонтального изгибов корпуса, кручения и концентрации напряжений в связях корпуса. Снижение крутильной жесткости корпуса судов с широким раскрытием палубы увеличивает угол закручивания и вызывает деформацию палубного перекрытия, что приводит к превышению допустимых напряжений. При проектировании конструкций корпуса открытых судов необходимо учитывать возможность совместного общего продольного изгиба корпуса и его скручивания.

2. Расчеты показали, что у корпуса судна с относительно невысокой жесткостью конструкций, обусловленной чрезмерным раскрытием палубы, наблюдается изгиб палубного стрингера в своей плоскости вместе с продольным комингсом и сближение бортов при эксплуатационных поперечных нагрузках. Наиболее эффективной конструктивной мерой уменьшения такого влияния является установка съемных распорных бимсов, местоположение которых следует определить расчетом. Реализация предлагаемых решений на т/х «Seatiger» позволила предотвратить в дальнейшем нежелательные деформации конструкций судна.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Бойцов Г.В., Палий О.М. Прочность и конструкция корпуса судов новых типов. Л.: Судостроение, 1979. 359 с.

2. Горетый О.А. Прочность судна открытого типа: магистерская дис. / Дальневост. федерал. ун-т, Инженерная школа, 2011. 130 с.

3. Егоров Г.В. Основные факторы, влияющие на надежность корпусов судов ограниченного района плавания // Тр. БГА РФ. 1998. Вып. 27. Прочность и техническая эксплуатация судов. С.73-80.

4. Кандель Ф.Г., Галахов И.Н., Раскин Ю.Н., Фридляндский А.З. Прочность судов смешанного плавания. Л.: Судостроение, 1974. 239 с.

5. Новиков В.В., Герман А.П. Прочность корпуса судна при скручивании: учеб. пособие. Владивосток: Издательский дом Дальневост. федерал. ун-та, 2012. 95 с.

6. Правила классификации и постройки морских стальных судов // Российский морской регистр судоходства. СПб., 2012. 479 с.

7. Путов Н.Е. Проектирование конструкций корпуса морских судов. Ч. 2. Л.: Судостроение, 1977. 424 с.

8. Регистр СССР. Сборник нормативно-методических материалов. Кн. 1. Л.: Транспорт, 1979. 152 с.