Прочность кораблей

Эта статья включает в себя список литературы , связанной литературы или внешних ссылок , но ее источники остаются неясными, поскольку в ней отсутствуют встроенные цитаты . Пожалуйста, помогите улучшить эту статью, добавив более точные цитаты. ( Сентябрь 2013 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения )

Сила судов является предметом основного интереса для военно - морских архитекторов и судостроителей . Слишком сильные корабли тяжелые, медленные и требуют дополнительных денег для постройки и эксплуатации, поскольку они весят больше, в то время как корабли, построенные слишком слабо, страдают от незначительных повреждений корпуса и, в некоторых крайних случаях, от катастрофических отказов и потопления.

Нагрузки на корпуса судов [ править ]

В корпусах судов подвергаются ряду нагрузок.

• Даже когда он сидит в доке или на якоре, давление окружающей воды, вытесняемой судном, оказывает давление на его корпус.
• Вес корпуса, а также груза и компонентов внутри корабля давит на корпус.
• Ветер дует на корпус, и волны на него набегают.
• Когда корабль движется, возникает дополнительное сопротивление корпуса, сила движителей, вода направляется против носа.
• Когда судно загружено грузом, его вес может во много раз превышать собственный вес пустого груза, который давит на конструкцию.
• При сильном волнении вода, перетекающая или обрушивающаяся на палубу, создает (возможно, огромные) нагрузки на палубу и поперечные нагрузки на надстройку или другие элементы палубы, такие как комингсы и люки .

Если конструкция, оборудование и груз корабля распределены неравномерно, то на конструкцию могут быть большие точечные нагрузки, а если они распределяются иначе, чем распределение плавучести от вытесненной воды, то на корпус действуют изгибающие силы.

Когда корабли ставятся в сухой док, и когда они строятся, они поддерживаются на регулярно расположенных столбах на их днище.

Схема корпуса судна (1) Провисание и (2) Выкалывание под нагрузкой. Изгиб преувеличен в иллюстративных целях.

Основные прочность, нагрузки и изгиб корпуса судна - это нагрузки, которые действуют на весь корпус, если смотреть спереди назад и сверху вниз. Хотя это может рассматриваться как включающее общие поперечные нагрузки (из стороны в сторону внутри судна), обычно оно применяется только к продольным нагрузкам (от конца до конца). Корпус, рассматриваемый как цельная , может изгибаться.

1. вниз по центру, известное как провисание
2. вверх по центру, известное как сворачивание .

Это может быть связано с:

• корпус, оборудование и грузовые грузы
• волновые нагрузки, в худших случаях:
  • провисание из-за волны длиной, равной длине корабля, с пиками на носу и корме и желобом на миделе.
  • из-за волны длиной, равной длине корабля, и пика на миделе (прямо посередине длины)

Изгибающие нагрузки на основной корпус обычно самые высокие около середины судна и обычно очень незначительны на полпути к носу или корме.

При первичных расчетах прочности обычно учитывается мидель судна в поперечном сечении. Эти расчеты рассматривают всю конструкцию корабля как единую балку, используя упрощенное уравнение 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 количества для каждой секции пластины или фермы, составляющей корпус, при этом момент инерции этого сечения материала, являющейся шириной (горизонтальный размер) сечения, являющейся высотой сечения (вертикальным размером), являющейся площадью сечения и${\ displaystyle I_ {y} = {\ frac {bh ^ {3}} {12}} + Ad ^ {2}}$${\ displaystyle I_ {y}}$${\ displaystyle b}$${\ displaystyle h}$${\ displaystyle A}$${\ displaystyle d}$ расстояние по вертикали центра этой секции от нейтральной оси.

Первичный (1), вторичный (2) и третичный (3) структурный анализ корпуса судна. Изображенные внутренние компоненты включают водонепроницаемую переборку (4) на первичном и вторичном уровнях, нижнюю конструкцию корпуса судна, включая киль, кильоны и поперечные шпангоуты между двумя переборками (5) на вторичном уровне, и поперечные шпангоуты (6), продольные ребра жесткости. (7) и обшивка корпуса (8) на третьем уровне.

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

Затем рассчитывается общий изгибающий момент неподвижной воды путем интегрирования разницы между плавучестью и общим весом по длине судна.

Для корабля в движении к этому значению добавляется дополнительный изгибающий момент, чтобы учесть волны, с которыми он может столкнуться. Используются стандартные формулы для высоты и длины волны, учитывающие размер корабля. Как отмечалось выше, наихудшие возможные волны возникают там, где гребень или впадина волны находится точно на миделе судна.

Эти общие изгибающие нагрузки, включая изгибающий момент на неподвижной воде и волновые нагрузки, представляют собой силы, которые должна выдерживать общая первичная балка корпуса.

Вторичные нагрузки на корпус, изгиб и прочность - это те нагрузки, которые возникают на обшивке корабля (борта, днище, палуба) между основными продольными отсеками или переборками . Для этих нагрузок нас интересует, как эта более короткая секция ведет себя как интегрированная балка под действием местных сил вытесненной воды, отталкивающей корпус, груз, вес корпуса и оборудования и т. Д. В отличие от основных нагрузок, вторичные нагрузки рассматриваются как прикладываемые к сложной композитной панели, поддерживаемой по бокам, а не в виде простой балки.

Вторичные нагрузки, прочность и изгиб рассчитываются аналогично первичным нагрузкам: вы определяете точечные и распределенные нагрузки из-за смещения и веса, а также определяете локальные общие силы на каждой единице площади панели. Эти нагрузки затем вызывают деформацию композитной панели, обычно изгибающуюся внутрь между переборками, поскольку большинство нагрузок являются сжимающими и направлены внутрь. Напряжение в конструкции рассчитывается исходя из нагрузок и изгибов.

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

Элементы конструкции корпуса корабля [ править ]

Конструктивные элементы корпуса корабля

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

1. Обшивка палубы (также известная как Main Deck, Weatherdeck или Strength Deck)
2. Поперечная переборка
3. Обшивка внутренней нижней части корпуса
4. Обшивка днища корпуса
5. Поперечный каркас (1 из 2)
6. Килевая рама
7. Килсон (продольная балка) (1 из 4)
8. Продольный элемент жесткости (1 из 18)
9. Боковая балка корпуса

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

Общие нагрузки, изгиб и прочность [ править ]

Общая нагрузка на конкретную секцию корпуса судна - это сумма всех первичных, вторичных и третичных нагрузок, накладываемых на нее всеми факторами. Типичный тестовый пример для быстрых расчетов - это середина секции днища корпуса между ребрами жесткости, рядом или в средней части корабля, где-то посередине между килем и бортом корабля.

Стандартные правила [ править ]

Общества классификации судов, такие как Det Norske Veritas , Американское бюро судоходства и Судовой регистр Ллойда, установили стандартные формы расчета нагрузок на корпус, требований к прочности, толщины обшивки корпуса и усиливающих элементов жесткости, балок и других конструкций. Эти методы часто позволяют быстро оценить требования к прочности для любого конкретного корабля. Почти всегда эти методы дают консервативные или более сильные, чем требуется, значения прочности. Тем не менее, они предоставляют подробную отправную точку для анализа конструкции данного корабля и того, соответствует ли она общепринятым отраслевым стандартам или нет.

Материальный ответ [ править ]

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

Сегодня судостроители используют стали, которые обладают хорошей коррозионной стойкостью при воздействии морской воды и которые не становятся хрупкими при низких температурах (ниже точки замерзания), поскольку многие суда находятся в море во время холодных штормов зимой, а также некоторые старые судовые стали, которые не были достаточно прочными при эксплуатации. низкая температура заставила корабли расколоться пополам и затонуть во время Второй мировой войны в Атлантике.

Эталонная марка стали - ABS A, установленная Американским бюро судоходства . Эта сталь имеет предел текучести не менее 34000 фунтов на квадратный дюйм (230 МПа), предел прочности при растяжении от 58000 до 71000 фунтов на квадратный дюйм (от 400 до 490 МПа), перед разрушением образец длиной 8 дюймов (200 мм) должен удлиниться не менее чем на 19%. и 22% в образце длиной 2 дюйма (50 мм).

Следует применять коэффициент запаса прочности, превышающий предел текучести, поскольку сталь, регулярно доводимая до предела текучести, будет страдать от усталости металла . Стали обычно имеют предел выносливости , ниже которого любое количество циклов нагружения напряжением не вызовет усталости металла и трещин / отказов. Критерии проектирования судна обычно предполагают, что все нормальные нагрузки на судно, умноженные на средний коэффициент безопасности, должны быть ниже предела усталости для стали, используемой в их конструкции. Разумно предположить, что корабль будет регулярно работать с полной загрузкой, в тяжелую погоду и сильные волны, и что он будет сталкиваться с максимально нормальными расчетными условиями эксплуатации много раз в течение своего срока службы.

Проектирование ниже предела усталости по совпадению и выгодно дает большие (до 6 и более факторов) общие коэффициенты безопасности от нормальных максимальных рабочих нагрузок до окончательного разрушения конструкции при растяжении. Но эти большие предельные запасы безопасности не являются целью: цель состоит в том, чтобы основные эксплуатационные напряжения и напряжения на судне в течение его предполагаемого срока службы не вызывали серьезных усталостных трещин в конструкции. Очень немногие корабли когда-либо видят условия предельной нагрузки где-либо вблизи пределов их полного отказа. Вероятно, что без учета усталости требования к прочности корабля были бы несколько ниже.

См. Раздел « Прочность материалов» .

Численное моделирование [ править ]

Хотя можно провести довольно точный анализ судовых нагрузок и реакции вручную или с использованием минимальной компьютерной помощи, такой как электронные таблицы, современные компьютерные программы САПР обычно используются сегодня 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 обрабатывать гораздо более сложные расчеты изгиба и точечных нагрузок, чем инженеры-люди могут сделать за разумное время.

Однако по-прежнему важно иметь возможность вручную рассчитывать приблизительное поведение корпусов кораблей. Инженеры не доверяют выходным данным компьютерных программ без какой-либо общей проверки реальности, что результаты находятся в пределах ожидаемого порядка величины. И предварительные разработки могут быть начаты до того, как будет доступно достаточно информации о конструкции для проведения компьютерного анализа. ^{[ необходима цитата ]}

См. Также [ править ]

• Военно-морская архитектура
• Судостроение
• Переборка (перегородка)
• Двойное дно
• Обшивка корпуса
• Луч
• Сопротивление материалов

Внешние ссылки [ править ]

• Комитет по конструкции корабля

Ссылки [ править ]

• Бенфорд, Х., Военно-морская архитектура для не-военно-морских архитекторов , 1991, ISBN  0-939773-08-2
• Дженсен, Дж. Дж., Загрузка и глобальная реакция судов , 2001, ISBN 0-08-043953-5 
• Льюис, Принципы военно-морской архитектуры: Том I - Стабильность и прочность , 1989, 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, ISBN 0-939773-21-X 
• Hirdaris, SE; Bai, W .; Dessi, D .; Эргин, А .; Gu, X .; Хермундстад, О.А.; Huijsmans, R .; Иидзима, К .; Nielsen, UD; Парунов, Дж .; Fonseca, N .; Папаниколау, А .; Argyriadis, K .; Инчечик, А. (2014). «Грузы для использования при проектировании судов и морских сооружений» . Океанская инженерия . 78 : 131–174. DOI : 10.1016 / j.oceaneng.2013.09.012 .