Сила кораблей

Прочность кораблей является темой, представляющей ключевой интерес для военно-морских архитекторов и судостроителей . Корабли , построенные слишком прочно, тяжелы, медленны, и их постройка и эксплуатация требуют дополнительных денег, поскольку они весят больше, в то время как корабли, построенные слишком слабо, страдают от незначительных повреждений корпуса, а в некоторых крайних случаях - от катастрофического разрушения и затопления.

Нагрузки на корпуса судов

Корпуса кораблей подвергаются ряду нагрузок.

Даже когда корабль стоит у причала или на якоре, давление окружающей воды, вытесняемой кораблем, давит на его корпус.
Вес корпуса, груза и компонентов корабля давит на корпус.
Ветер дует в корпус, и волны набегают на него.
Когда корабль движется, возникает дополнительное сопротивление корпуса, сила гребных винтов и вода, наталкивающаяся на носовую часть.
Когда судно загружено грузом, вес пустого груза может во много раз превышать его собственный вес, давящий на конструкцию.
При сильном волнении вода, перетекающая через открытую палубу или обрушивающаяся на нее, создает (возможно, огромную) нагрузку на палубу и поперечные нагрузки на надстройку или другие элементы палубы, такие как комингсы и люки .

Если конструкция судна, оборудование и груз распределены неравномерно, то в конструкции могут возникнуть большие точечные нагрузки, а если они распределены иначе, чем распределение плавучести от вытесненной воды, то на корпусе возникают изгибающие силы.

Когда корабли стоят в сухом доке и строятся, они поддерживаются на регулярно расположенных столбах на днище.

Основные нагрузки на корпус, прочность и изгиб

Схема корпуса корабля (1) Провисание и (2) Провисание под нагрузками. Изгиб преувеличен для иллюстрации.

Основная прочность, нагрузки и изгиб корпуса корабля — это нагрузки, которые воздействуют на весь корпус, если смотреть спереди назад и сверху вниз. Хотя можно считать, что сюда включаются общие поперечные нагрузки (из стороны в сторону внутри судна), обычно это применяется только к продольным нагрузкам (из конца в конец). Корпус, рассматриваемый как однобалочный , может гнуться.

вниз по центру, известное как провисание
в центре, известное как hogging .

Это может быть связано с:

корпус, оборудование и грузовые нагрузки
волновые нагрузки, в худших случаях:
- провисание из-за волны длиной, равной длине корабля, с пиком на носу и корме и впадиной на миделе корабля.
- захлестывание, за счет волны длиной, равной длине корабля, и пика на миделе (прямо на середине длины)

Основные изгибающие нагрузки корпуса обычно самые высокие в середине корабля и обычно очень незначительные на полпути к носу или корме.

При расчетах первичной прочности обычно учитывается поперечное сечение корабля на миделе. В этих расчетах вся конструкция корабля рассматривается как единая балка с использованием упрощенного уравнения балки Эйлера-Бернулли для расчета прочности балки при продольном изгибе. Момент инерции (технически второй момент площади ) секции корпуса рассчитывается путем нахождения нейтральной или центральной оси балки и последующего суммирования величины $I_{y}={\frac {bh^{3}}{12}}+Ad^{2}$ за каждую секцию листа или балки, составляющую корпус, с $I_{y}$ являющийся моментом инерции этого участка материала, $b$ ширина (горизонтальный размер) сечения, $h$ высота сечения (вертикальный размер), $A$ площадь сечения и $d$ это вертикальное расстояние центра этой секции от нейтральной оси.

Первичный (1), Вторичный (2) и Третичный (3) структурный анализ корпуса корабля. Изображенные внутренние компоненты включают водонепроницаемую переборку (4) на первом и втором уровнях, конструкцию днища корпуса судна, включая киль, кильсоны и поперечные шпангоуты между двумя переборками (5) на втором уровне, а также поперечные шпангоуты (6), продольные ребра жесткости. (7), а обшивка корпуса (8) — на третичном уровне.

Расчеты первичных прочностных нагрузок обычно суммируют вес и плавучесть корабля вдоль корпуса, разделяя корпус на управляемые продольные секции, такие как один отсек, произвольные десятифутовые сегменты или какое-либо подобное управляемое подразделение. Для каждого условия загрузки вес вытесненной воды или плавучесть рассчитываются для этой секции корпуса на основе объема вытесненной воды внутри этой секции корпуса. Для этой длины аналогично рассчитывается масса корпуса, а также масса оборудования и систем. Затем к этому разделу добавляется вес груза в зависимости от проверяемых условий загрузки.

Затем рассчитывается общий изгибающий момент в стоячей воде путем интегрирования разницы между плавучестью и общим весом по длине корабля.

Для корабля, находящегося в движении, к этому значению добавляется дополнительный изгибающий момент, чтобы учесть волны, с которыми он может столкнуться. Используются стандартные формулы высоты и длины волны, учитывающие размеры корабля. Как отмечалось выше, наихудшими из возможных волн являются те, где гребень или впадина волны расположены точно посередине корабля.

Эти общие изгибающие нагрузки, включая изгибающий момент стоячей воды и волновые нагрузки, представляют собой силы, которые должна выдерживать вся главная балка корпуса.

Вторичные корпусные нагрузки, прочность и изгиб

Второстепенные нагрузки на корпус, изгиб и прочность — это нагрузки, которые возникают на обшивке корабля (бортах, днище, палубе) между основными продольными переборками или переборками . Для этих нагрузок нас интересует, как эта более короткая секция ведет себя как цельная балка под действием местных сил вытесненной воды, отталкивающих корпус, груз, вес корпуса и оборудования и т. д. В отличие от первичных нагрузок, вторичные нагрузки рассматриваются как приложенные к сложной композитной панели, опирающейся по бокам, а не к простой балке.

Вторичные нагрузки, прочность и изгиб рассчитываются аналогично первичным нагрузкам: вы определяете точечные и распределенные нагрузки, обусловленные перемещением и весом, а также определяете местные общие силы на каждой единице площади панели. Эти нагрузки затем вызывают деформацию композитной панели, обычно прогибаясь внутрь между переборками, поскольку большинство нагрузок сжимающие и направлены внутрь. Напряжения в конструкции рассчитываются исходя из нагрузок и изгиба.

Третичные нагрузки на корпус, прочность и изгиб

Третичная прочность и нагрузки — это силы, прочность и реакция на изгиб отдельных секций листа корпуса между ребрами жесткости, а также поведение отдельных секций ребер жесткости. Обычно третичную нагрузку рассчитать проще: для большинства секций необходимо рассчитать простую максимальную гидростатическую нагрузку или гидростатическую нагрузку плюс ударную нагрузку. Пластина удерживается от этих нагрузок по краям с помощью ребер жесткости и балок. Прогиб пластины (или элемента жесткости) и дополнительные напряжения просто рассчитываются на основе этих нагрузок и теории. из пластин и оболочек.

Элементы конструкции корпуса корабля

На этой схеме показаны основные конструктивные элементы основного корпуса корабля (за исключением носовой, кормовой и рубки).

Обшивка палубы (также известная как главная палуба, погодная палуба или силовая палуба)
Поперечная переборка
Обшивка внутренней нижней части корпуса
Обшивка днища корпуса
Поперечная рама (1 из 2)
Килевая рама
Килсон (продольная балка) (1 из 4)
Продольный ребро жесткости (1 из 18)
Бортовая балка корпуса

Изображенный корпус представляет собой образец небольшого нефтяного танкера с двойным дном (но не с двойным корпусом ).

Суммарные нагрузки, изгиб и прочность

Общая нагрузка на конкретную секцию корпуса корабля представляет собой сумму всех первичных, вторичных и третичных нагрузок, воздействующих на него от всех факторов. Типичным тестовым примером для быстрых расчетов является середина секции нижней плиты корпуса между ребрами жесткости, рядом или в средней части корабля, где-то посередине между килем и бортом корабля.

Стандартные правила

судов Классификационные общества , такие как Det Norske Veritas , Американское бюро судоходства и Регистр судоходства Ллойда, установили стандартные формы расчета нагрузок на корпус, требований к прочности, толщины обшивки корпуса и усиливающих ребер жесткости, балок и других конструкций. Эти методы часто позволяют быстро оценить требования к прочности любого корабля. Почти всегда эти методы дают консервативные или более высокие, чем требуется, значения прочности. Тем не менее, они обеспечивают подробную отправную точку для анализа конструкции данного корабля и ее соответствия общие отраслевые стандарты или нет.

Материальный ответ

Современные корабли почти все без исключения построены из стали . Как правило, это довольно стандартная сталь с пределом текучести от 32 000 до 36 000 фунтов на квадратный дюйм (от 220 до 250 МПа) и пределом прочности или пределом прочности на разрыв (UTS) более 50 000 фунтов на квадратный дюйм (340 МПа).

Сегодня судостроители используют стали, которые обладают хорошей коррозионной стойкостью при воздействии морской воды и не становятся хрупкими при низких температурах (ниже нуля). Многие корабли выдерживают холодные зимние штормы, а использование некоторых старых корабельных сталей, которые были недостаточно прочными при низких температурах, привело к тому, что корабли раскололись пополам и затонули в Атлантике во время Второй мировой войны.

Эталонной маркой стали является ABS A, указанный Американским бюро судоходства . Эта сталь имеет предел текучести не менее 34 000 фунтов на квадратный дюйм (230 МПа), предел прочности на разрыв от 58 000 до 71 000 фунтов на квадратный дюйм (от 400 до 490 МПа) и должна удлиняться не менее чем на 19% при длине 8 дюймов (200 мм). образца до разрушения и 22% в образце длиной 2 дюйма (50 мм).

Необходимо применять коэффициент запаса выше предела текучести, поскольку сталь, регулярно доводимая до предела текучести, будет страдать от усталости металла . Стали обычно имеют предел выносливости , ниже которого любое количество циклов стрессовой нагрузки не вызывает усталости металла и трещин/разрушений. Критерии проектирования судов обычно предполагают, что все нормальные нагрузки на судно, умноженные на умеренный коэффициент безопасности, должны быть ниже предела выносливости стали, используемой в их конструкции. Разумно предположить, что судно будет регулярно работать с полной загрузкой, в плохую погоду и при сильном волнении и что оно много раз в течение своего срока службы будет сталкиваться с максимально нормальными проектными условиями эксплуатации.

Проектирование ниже предела усталости случайно и выгодно дает большие (до 6 и более) общие коэффициенты безопасности от нормальных максимальных рабочих нагрузок до предельного разрушения конструкции при растяжении. Но эти большие предельные запасы прочности не являются целью: цель состоит в том, чтобы базовые эксплуатационные напряжения и нагрузки на судно в течение всего его предполагаемого срока службы не вызывали серьезных усталостных трещин в конструкции. Очень немногие корабли когда-либо видели условия предельной нагрузки, близкие к пределам серьезных отказов. Вполне вероятно, что без проблем, связанных с усталостью, требования к прочности корабля были бы несколько ниже.

Численное моделирование

Хотя можно провести довольно точный анализ нагрузок и реакций корабля вручную или с использованием минимальных компьютерных средств, таких как электронные таблицы, современные компьютерные программы САПР сегодня обычно используются для создания гораздо более подробных и мощных компьютерных моделей конструкции. Инструменты анализа методом конечных элементов используются для детального измерения поведения при приложении нагрузок. Эти программы могут выполнять гораздо более сложные расчеты изгиба и точечной нагрузки, чем инженеры-люди, за разумное время.

Однако по-прежнему важно уметь вручную рассчитывать примерное поведение корпусов кораблей. Инженеры не доверяют результатам компьютерных программ без какой-либо общей проверки реальности, что результаты находятся в пределах ожидаемого порядка величины. Кроме того, предварительное проектирование может быть начато до того, как будет получено достаточно информации о конструкции для проведения компьютерного анализа. ^{[ нужна ссылка ]}

См. также

Внешние ссылки

Комитет по конструкции корабля

Ссылки

Бенфорд, Х., Морская архитектура для неморских архитекторов , 1991 г., ISBN 0-939773-08-2
Дженсен, Дж. Дж., Нагрузка и глобальная реакция судов , 2001 г., ISBN 0-08-043953-5
Редактор Льюиса, Принципы военно-морской архитектуры: Том I - Стабильность и прочность , 1989 г., ISBN 0-939773-00-7
Тимошенко С., Теория пластин и оболочек , 1959, ISBN 0-07-064779-8
Таппер, Э., Введение в военно-морскую архитектуру , 1996 г., ISBN 0-939773-21-X
Хирдарис, SE; Бай, В.; Десси, Д.; Эргин, А.; Гу, Х.; Хермундстад, Огайо; Хейсманс, Р.; Иидзима, К.; Нильсен, UD; Парунов Ж.; Фонсека, Н.; Папаниколау, А.; Аргириадис, К.; Инчечик, А. (2014). «Нагрузки для использования при проектировании судов и морских сооружений» . Океанская инженерия . 78 : 131–174. дои : 10.1016/j.oceaneng.2013.09.012 . S2CID 109974229 .