ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
1. Введение
Каждое судно должнообладать комплексом эксплуатационных и мореходных качеств.
К эксплуатационнымкачествам принято относить грузоподъемность и грузовместимость; маневренность,скорость, дальность плавания и автономность; обитаемость судна. Одним из важнейшихэксплуатационных качеств является прочность, которая, наряду с мореходнымикачествами, обеспечивает безопасность плавания судна.
Каждое судно должнообладать комплексом эксплуатационных и мореходных качеств.
К эксплуатационнымкачествам принято относить грузоподъемность и грузовместимость; маневренность,скорость, дальность плавания и автономность; обитаемость судна. Одним из важнейшихэксплуатационных качеств является прочность, которая, наряду с мореходнымикачествами, обеспечивает безопасность плавания судна.
Мореходные качества судна — плавучесть, остойчивость,непотопляемость, ходкость, плавность качки и управляемость входят в компетенциюспециальной науки — теории корабля.
Плавучестью называется способность судна плаватьв заданном положении относительно поверхности воды.
Остойчивость — это способность судна, выведенногоиз равновесия, возвращаться в исходное положение после прекращения действиявнешних сил.
Непотопляемость — способность судна оставаться наплаву и в ограниченной степени сохранять другие мореходные качества послезатопления одного отсека или их группы. Непотопляемость определяетсяплавучестью и остойчивостью поврежденного судна.
Ходкостью называется способность суднадвигаться с заданной скоростью при наименьшей возможной мощности главной механическойустановки.
Плавность и малые амплитудыкачки — качества,необходимые для обеспечения мореходности судна в условиях морского волнения.
Управляемость — это способность судна выдерживатьзаданное направление движения.
2.Форма судового корпуса
Основныегабаритные размеры корпуса принято называть главными размерениями. Это L — длина судна; В — ширина; Н — высота борта; Т — осадка. Первые три неизменны иотносятся к геометрическим характеристикам корпуса в целом, последняя — осадка- может изменяться в широких пределах и определяет погруженный (подводныйобъем) судна. Обычно, когда говорят о главных размерениях судна, то принимаютосадку по расчетную, или конструктивную, ватерлинию, соответствующую проектнойзагрузке судна.
Построение корпуса
Для проведения расчетовпо статике корабля необходимо начертить корпус теоретического чертежа и сделатьнекоторые дополнительные построения. Размеры корпуса выбираются таким образом,чтобы ширина его составила 350-500 мм, а масштаб по отношению к судну был однимиз стандартных. Корпус вычерчивается на формате А2 по 11 равноотстоящимшпангоутам, причем изображаются обе ветви каждого шпангоута, носовые — сплошнойлинией, кормовые – пунктирной. Надстройки не учитываются.
Кроме шпангоутов накорпусе наносятся:
— диаметральная плоскость
— ватерлинии (7-8),причем интервал между ватерлиниями выбирается таким, чтобы грузовая ватерлиния(ГВЛ) была 4-й или 5-й
— так как для повышенияточности расчетов вычисляются поправки к элементам ватерлиний, учитывающиеистинную их длину, справа от корпуса наносится контур форштевня, а слева –контур ахтерштевня.
При проведении расчетовиспользуется девая система координат, связанная с судном и имеющая начало вточке в точке 0 пересечения плоскостей: основной, диаметральной имидель-шпангоута. Ось ОХ – линия пересечения диаметральной плоскости с основнойплоскостью, положительное направление оси — в нос, ось ОУ является линиейпересечения плоскости мидель-шпангоута с основной плоскостью, положительноенаправление оси – на правый борт с осью OZ является линией пересечения диаметральной плоскости сплоскостью мидель-шпангоута, положительное направление оси – вверх. Угол крена– положительный при наклонении на правый борт, угол дифферента — положительныйпри наклонении на нос.
После построения корпусанеобходимо составить таблицу основных ординат. Ввиду того, что некоторыешпангоуты имеют на скуле большую кривизну или заканчиваются между ватерлиниями,для повышения точности расчета надо вводить приведенные ординаты, определяемыеравенством отброшенной и добавленной площадей.
Ватерлинии могутоканчиваться между шпангоутами, поэтому для учета истинной длины ватерлиний прирасчетах вводятся поправки к элементам площади ватерлинии.
Предварительносоставляется таблица, в которую заносятся абсциссы Хн и Хк точек окончанияватерлиний. Это, по существу, абсциссы точек пересечения контуров форштевня иахтерштевня с соответствующими ватерлиниями.
3.Теоретическийчертеж
Исчерпывающеепредставление о форме корпуса судна дает его теоретический чертеж. Он состоитиз трех проекций, на каждой из которых изображаются сечения корпусаплоскостями, параллельными рассмотренным выше, — ДП, пл. мш и ОП.
Натеоретическом чертеже представляется теоретическая поверхность корпуса безучета наружной обшивки и выступающих частей.
Совокупностьсечений плоскостями, параллельными ДП, принято называть боком, а сами этисечения — батоксами. Обычно на этой проекции нос судна изображается справа, а корма- слева. Сечения плоскостями, параллельными пл. мш, наносятся на вторуюпроекцию, так называемый корпус. В силу симметрии судна относительно ДП накорпусе представляют только половину соответствующего сечения: справа отвертикальной линии — следа ДП — располагают носовые шпангоуты, слева — кормовые, сечение по мидель-шпангоуту помещают полностью, на обеих половинахкорпуса.
Третьяпроекция — полуширота — совокупность сечений корпуса плоскостями, параллельнымиОП. Здесь также представляются только половины симметричных относительно ДП ватерлиний.Обычно на теоретическом чертеже изображают равноотстоящие батоксы (2-3 на одинборт), ватерлинии(10-15) и шпангоуты — 21. Нумеруются батоксы от ДП, ватерлинии- от ОП. Вертикальные линии, проведенные через точки пересечения КВЛ с линиямиштевней называются носовым и кормовым перпендикулярами. Для однoвинтoвыx судовкормовой перпендикуляр совпадает с осью баллера руля.
Шпангоуту,в плоскости которого лежит носовой перпендикуляр, присваивается номер О,мидель-шпангоуту — номер 1 О, последний, 20-й, номер имеет шпангоут,совпадающий с кормовым перпендикуляром.
Вотличие от конструктивных шпангоуты на теоретическом чертеже называюттеоретическими, а расстояние между ними теоретической шпацией. В районахоконечностей, где форма корпуса изменяется наиболее интенсивно, проводятдополнительные шпангоуты под номерами 1/4, 1/2, 3/4 и 18 1/2, 19 1/2.
Всепроекции теоретического чертежа должны быть согласованы — они описывают формуодного и того же корпуса.
Сечениесудна ДП дает представление о палубной и килевой линиях, а также о форме фор- иахтерштевней. Для морских транспортных судов характерна седловатость (подъем вносу и корме) палубы — это снижает заливаемость оконечностей, особенно придвижении на волнении. О форме поперечного сечения палубы и днища, а такжесоединения их с бортами можно получить представление по сечению пл. мш.
4.Масштаб Бонжана
МасштабБонжана представляет совокупность зависимостей площадей всех теоретическихшпангоутов от их погружения.
Строитсямасштаб Бонжана на трансформированном контуре сечения корпуса диаметральнойплоскостью. Трансформация заключается в том, что для удобства использования,линейные масштабы вдоль осей ох и оу выбираются различными. От вертикальныхлиний, следов соответствующих теоретических шпангоутов откладывают доведенныедо высоты верхней палубы значения площадей шпангоутов.
С помощьюмасштаба Бонжана можно определить водоизмещение по любую, в том числе инаклонную (для судна, сидящего с дифферентом), ватерлинию. Масштаб Бонжана используетсяпри расчетах непотопляемости, продольного спуска судна, а также для другихцелей.
Расчетыпроизводятся по правилу вычисления интегралов с переменным верхним пределом сиспользованием правила трапеций.
Вычисленияпроизводят до верхней расчетной ватерлинии, в качестве которой обычнопринимается ближайшая к палубе ватерлиния.
Дляопределения Ω до верхней палубы необходимо сосчитать дополнительно:
1. добавку ∆Ω, учитывающую площадь шпангоута отверхней расчетной ватерлинии до палубной линии по борту.
2. добавку,учитывающую площадь части шпангоута, образованную погибью бимсов
МасштабБонжана вычерчивается на миллиметровке формата А3. Длина диаграммы изображает вопределенном масштабе длину судна. Масштаб осадки выбирается таким, чтобыдиаграмма заняла почти все поле чертежа.
МасштабΩ необходимо брать стандартным, носохраняющим точность расчета.
Дляопределения водоизмещения и абсциссы центра величины судна, имеющего дифферент,необходимо рассчитать осадку носом и кормой.
ОтложивТн и Тк на масштабе Бонжана проводим наклонную ватерлинию и восстанавливаемперпендикуляры из точек пересечения этой ватерлинии со шпангоутами до встречи ссоответствующей кривой Ω(z). Длины этиз перпендикуляров масштабе будут равнызначениям Ωi.
5.Остойчивость
Остойчивостьюназывают способностьсудна, выведенного из положения равновесия, возвращаться в него послепрекращения действия внешних сил.
Каквидно из определения, между понятиями остойчивость судна и устойчивость, атакже устойчивое равновесие тела в механике просматривается аналогия. Однакоимеются и отличия: в остойчивости рассматриваются не только бесконечно малые,но и конечные отклонения от положения равновесия; устойчивость — чистокачественное состояние, а остойчивость имеет меру, наконец, судно может либообладать остойчивостью (устойчивое равновесие), либо быть неостойчивым (иметьнеустойчивое и безразличное равновесие).
Плавающеесудно как твердое тело обладает шестью степенями свободы, следовательно можноговорить об отклонениях от положения равновесия по всем этим степеням. Чтокасается поступательных перемещений вдоль осей ох и оу, а также вращательногоотносительно оси OZ, то им ничто не препятствует, поэтому не возникаетвосстанавливающих сил и момента. Таким образом, по отношению к этим отклонениямсудно не обладает остойчивостью, а положение равновесия здесь безразличное. Этообстоятельство не грозит судну гибелью, не препятствует его использованию поназначению.
Отклонениевдоль вертикальной оси 0у приводит к появлению (для судна, имеющего запасплавучести) восстанавливающих сил, т. е. такое судно всегда обладаетвертикальной остойчивостью. Кроме того, судно должно сопротивляться,противостоять, наклонениям относительно осей ох и ау, в противном случае оноопрокинется, перевернется. Устойчивое равновесие при указанных наклонениях необеспечивается автоматически, как это было с вертикальной остойчивостью, атребует определенных конструктивных решений. В общем случае характер равновесиязависит от формы корпуса, распределения нагрузки, величины отклонения и т.д.Изучением всех этих вопросов и занимается «статическая остойчивость» (илипросто «остойчивость»). В зависимости от того, в какой плоскости происходитнаклонение, различают поперечную остойчивость — поворот судна относительно оси ох,сопровождаемый появлением угла крена, и продольную остойчивость — вокруг оси ау,угол дифферента.
Крометого, выделяют начальную остойчивость, когда углы наклонения малы, иостойчивость на больших углах крена. В первом разделе удается получитьдостаточно простые аналитические зависимости, определяющие остойчивость судна,второй раздел имеет более общий характер и включает в себя начальнуюостойчивость как частный случай.
Статическаяостойчивость предполагает, что силы или моменты прилагаются к судну в течениедостаточно длительного промежутка времени. Если эти условия не соблюдаются исилами инерции пренебрегать нельзя, то вступают в действие законы динамическойостойчивости.
6.Непотопляемость
Непотопляемость- способностьповрежденного судна сохранять плавучесть и остойчивость, а в ограниченнойстепени и другие мореходные качества при затоплении одного или несколькихотсеков.
Утратасудном плавучести либо остойчивости означает его гибель; снижение ходовыхкачеств, маневренности и ухудшение параметров качки не приводят немедленно ккатастрофическим последствиям. Этим объясняется предпочтение, отдаваемое приопределении непотопляемости, первым двум мореходным качествам. Строго говоря,непотопляемость не является самостоятельным мореходным качеством — фактическиэто плавучесть и остойчивость поврежденного судна с затопленными отсеками.
Естественно,что абсолютно непотопляемого судна построить невозможно: каждое будет обреченона гибель при достаточно больших повреждениях. Непотопляемость должнаобеспечиваться лишь при некоторых условиях, определяемых назначением судна, егоразмерами, районом плавания и т. д. Так, в наибольшей степени обеспечиваетсянепотопляемость военных кораблей.
Средигражданских судов в этом плане самые жесткие требования предъявляются кпассажирским судам, от безопасности которых зависит жизнь большого количествалюдей.
Непотопляемостьобеспечивается конструктивными и организационно-техническими мероприятиями, а вслучае аварии борьбой команды за живучесть судна.
Основнымконструктивныммероприятием, разрабатываемым еще на стадиипроектирования судна, является создание достаточного запаса плавучести иправильного его использования при повреждении корпуса. Запас плавучестиопределяется высотой надводного борта; рациональное подразделение судна на водонепроницаемыеотсеки продольными и — поперечными переборками способствует минимальномурасходованию этого запаса при повреждении корпуса и затоплении одного илигруппы помещений.
Гибельсудна от потери плавучести происходит в течение длительного (несколько часов, аиногда и суток) периода, что позволяет провести работы по. спасению экипажа ипассажиров. При потере остойчивости судно опрокидывается за считанные минуты,что влечет большое число жертв. Поэтому требуется, чтобы обреченное суднотонуло, не опрокидываясь, т. е. запас плавучести должен расходоваться раньше,чем запас остойчивости. Это обстоятельство также учитывается при выбореразмеров и расположения водонепроницаемых отсеков.
Средиосновных предупредительных организационно-технических мероприятий по обеспечению непотопляемости судна в первую очередь следуетназвать систематическую учебу личного состава; содержание в исправном состояниивсех водонепроницаемых закрытий; периодическую проверку на герметичность всехводонепроницаемых отсеков; строгое соблюдение инструкций по приему ирасходованию жидких грузов; поддержание всех технических. средств борьбы заживучесть судна в состоянии, гарантирующем их немедленное использование.
В борьбу за непотопляемость экипаж судна обычно вступает после аварии, при этом он долженопределить место и характер повреждения, предотвратить, по возможности,распространение воды, заделать пробоину, в максимальной степени восстановитьостойчивость поврежденного судна и спрямить его.
Остойчивостьвосстанавливается путем откачки фильтрационной воды из помещений, смежных сзатопленным отсеком, спуска воды в нижележащие помещения (цистерны),балластировки судна забортной водой. Спрямление судна подразумевает уменьшение(в идеале устранение) крена и дифферента. Мероприятия по спрямлению судна:осушение затопленных отсеков после заделки пробоины, перекачка жидких грузов,контрзатопление неповрежденных отсеков.
Общийпринцип, которого придерживаются при борьбе за непотопляемость судна,формулируется следующим образом: восстановление остойчивости и спрямление суднадолжны проводиться таким образом, чтобы при этом запас плавучести расходовалсяв наименьшей степени.
Вариантывозможных затоплений прорабатываются еще на стадии проектирования судна. На ихоснове составляется специальная документация в виде, например, «Информации понепотопляемости для капитана», где содержатся рекомендации по наиболееэффективной борьбе за живучесть судна после аварии.