Файл: Бронский, А. И. Основы выбора конструкций корпуса судна.pdf

Скачать файл
Заказать решение

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 21.10.2024

Просмотров: 86

Скачиваний: 0

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.

Поскольку размер экономического ущерба при фактических по­ вреждениях корпусных конструкций сравнительно мало зависит от их проектных размеров, а уровень гарантии безотказности Г доста­ точно близок к единице, вторым членом в правой части равенства (11-4) можно пренебречь. Следовательно,

— Гс,'кап (Г) + *с С с о д (Г) = л

и

dY

(II.5)

dY

 

 

 

 

 

Отсюда можно получить оптимальный уровень гарантии без­ отказности Г и оптимальные размеры рассматриваемой конструк­ ции или нормы прочностных характеристик д л я выбора размеров, учитывающие реальные особенности, условия и сроки эксплуата­ ции конкретного судна. Д л я судов, отличающихся по назначению, размереииям и другим показателям (учитывая различные виды отказов), формула (П.5) может быть существенно преобразована .

Определение зависимостей размеров капитальных затрат' на создание конструкции, расходов па ее содержание и ущерба, вы­ званного отказом конструкции, от уровня безотказности конст­

рукции является предметом специальных

технико-экономических

исследований и более или менее сложных

экономических расчетов,

некоторые предпосылки которых изложены

в § 2. Наиболее сложно

установить достаточно обоснованные размеры экономических по­ терь в зависимости от конкретного вида отказа конструкции. В первую очередь для этого необходимы анализ и обобщение имею­

щихся статистических

данных о характере, объеме

и

стоимости

проведения ремонтных

работ на судах разных типов и размерений

с дифференциацией их

по отдельным конструкциям,

без

чего не­

возможно дальнейшее развитие экономически обоснованных норм прочности.

При отсутствии конкретных данных можно в первом

прибли­

жении принимать значение U в долях строительной стоимости кон­

струкции (такой подход, в частности, принят в работе

[113] д л я

экономического анализа норм общей продольной прочности судна) .

Это в известной мере оправдано

тем, что ежегодные

отчисле­

ния на ремонт составляют определенный процент от

стоимости

судна.

 

 

Другим в а ж н ы м вопросом при

нормировании прочности кон­

струкций корпуса является выбор зависимости гарантии безотказ­

ности от проектных

переменных

Г (У), включающей в обобщенном

виде характеристики

нагружения,

принятый вид реакции конструк­

ции на нагружение, опасный уровень этой реакции исходя из рас­ сматриваемого отказа конструкции, физико-механические характе ­ ристики м а т е р и а л а и сроковые показатели эксплуатации. Некото­ рые основные данные по этим вопросам приводятся ниже.

76

§6. Основы вероятностного подхода

коценке внешних сил

Наибольшее результирующее силовое воздействие на корпус судна бывает, ка к известно, при штормовой погоде в условиях силь­ ного волнения. Кроме статических сил тяжести и давления воды на корпус действуют в этом случае еще и гидродинамические силы, вызывающие бортовую, вертикальную и килевую качку и свя­

занные с

ней

силы

инерции.

Н а волнении

скорости

движения

носовой

оконечности

относительно

взволнованной

поверхности

при килевой

и вертикальной

качке

могут

вызвать

появление

слеминга

и випиига, особенно

при малых осадках и больших ско­

ростях хода судна. Вследствие удара волн, работы винтов и воз­

действия неуравновешенных

сил и моментов

работающих

главных

и вспомогательных механизмов может возникнуть о б щ а я

' и

ме­

стная

вибрация.

Н а п р я ж е н и я

от

вибрации

накладываются

на

н а п р я ж е н и я

от других

воздействий.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Н а современных судах, перевозящих сжиженные

газы

 

(при

температуре до —150° С и н и ж е ) , замороженные продукты,

горя­

чие

нефтепродукты и т.

п.,

увеличивается

перепад

 

температур

в конструкциях корпуса, а соответствующие величины

 

температур­

ных

напряжений

могут

иметь

тот

ж е

порядок, что

и

волновые,

в

некоторых

случаях

д а ж е

 

превышая

последние.

Эксперимен­

тальные данные показывают, что при температурном

 

перепаде

около

40° С

тепловые

н а п р я ж е н и я

достигают примерно

0,25—0,3,

а

при градиенте

до 90° С — 0,5—0,6

предела

текучести

материала .

Температурные напряжения

одновременно с

изменением

физико-

механических свойств м а т е р и а л а из-за температурных воздействий могут привести к хрупким трещинам (например, на промысло­ вой базе «Спасск», пароходах «Баку» и «Войков»). В корпусе

действуют

и остаточные

напряжения,

возникающие

при

постройке

и ремонте

судов.

 

 

 

 

 

 

 

Д а ж е

неполное перечисление

различных воздействий

на

корпус

судна при плавании его на волнении показывает

большую

слож­

ность

их определения в

к а ж д о м

частном

случае.

Полностью эта

з а д а ч а еще не решена, несмотря на обширные теоретические

и эк­

спериментальные исследования, проводимые в ряде стран.

 

Научный подход к ее решению был з а л о ж е н Л . Эйлером в его

труде

«Scientia

Navalis»

(1759 г.). Д а л ь н е й ш и е исследования

нача­

лись

примерно

100 лет

н а з а д в

связи

с

переходом к

постройке

стальных

судов. В конце

X I X в. на основе

работ Эйлера

были раз ­

работаны способы практического определения напряжений в кор­

пусе

судна, которое

рассматривалось

как

свободно п л а в а ю щ а я

б а л к а

на регулярном

волнении. При

этом

не учитывались гидро­

динамические силы, силы инерции и т. д., т. е. предполагалось, что

77

судно находится в

квазистатическом состоянии на волнении.

К р у п ­

нейший

в к л а д в

решение этой

задачи

внес в 1898 г.

академик

А. Н . Крылов . Он разработал метод определения

изгибающих мо­

ментов и перерезывающих сил, действующих на

корпус

на регу­

лярном

волнении,

в котором

учтены

гидродинамические

силы

и динамика качки судна. Несмотря на существенное отличие рас­ сматриваемого регулярного волнения от реального нерегулярного-

волнения, казалось,

что проблема внешних сил достаточно

полно

изучена и что

д а ж е

без учета нерегулярности расчеты

дают

у с л о в ­

ные значения

сил и

напряжений, годные на практике

для

сравни­

тельной оценки прочности и надежности плавающих и проекти­ руемых судов. В метод А. Н. Крылова с начала века в течениепочти 60 лет не вносились принципиальные изменения, и он ус­

пешно использовался в инженерной практике. Это было

возможно'

до тех пор, пока процесс увеличения

размеров

судов

происходил

постепенно и медленно, а имевшиеся

данные,

экстраполируемые

в узких пределах д л я судов только

определенных типов, д а в а л и

удовлетворительные результаты и могли проверяться при длитель­ ной эксплуатации судов.

После окончания второй мировой войны был осуществлен пе­ реход на сварное судостроение, а с 50-х годов начали резко воз­ растать размеры судов (к настоящему моменту построены суда дедвейтом около 500 000 т ) . В связи с этим проводимые теорети­ ческие и экспериментальные исследования внешних сил, действую ­ щих на корпуса судов в условиях нерегулярного волнения, стали иметь в а ж н о е практическое значение.

Сущность и основное содержание современных вероятностных методов определения внешних сил заключаются в следующем.

Действующие на любые корпусные конструкции нагрузки вовсех случаях могут быть представлены в виде суммы двух состав­ ляющих [13], [36], [96], существенно отличающихся по скорости из ­ менения во времени:

 

Q(t)

= Q*(t)

+

Q"(t),

 

 

 

(И . 6)

где Q * ( 0 — п е р е м е н н а я

составляющая,

которая

представляет

со­

бой случайный процесс с достаточно

высокой

скоро­

стью изменения;

 

 

 

 

 

 

 

 

QCT(t)—статическая

 

составляющая;

более

точно

ее

следует

назвать

квазистатической,

так как

при

длительной

эксплуатации

судна

она

т а к ж е

может

рассматри ­

ваться

как

случайный

процесс,

статистические

ха­

рактеристики

которого

практически

не

зависят

от

условий,

определяющих

переменную

составляющую,

а скорость изменения его пренебрежимо мала

по

сравнению

с этой составляющей.

 

 

 

 

 

78

Д л я различных конструкций и разных условий эксплуатации

соотношение характеристик обеих составляющих

может изменяться

в широких пределах.

 

К с т а т и ч е с к и м составляющим относятся

постоянные (масса

оборудования и механизмов, собственная масса

конструкций) или

переменные (масса грузов, запасов) нагрузки на корпусные кон­ струкции, изменение или неравномерность температурных усло­ вий эксплуатации различных элементов корпуса, поле усилий, возникающих в конструкциях при постройке или ремонте судна. Наиболее просты и широко используются в расчетах прочности

корпуса весовые нагрузки, значения и распределение

которых

по длине судна непосредственно учитываются

при выборе

разме ­

ров связей по П р а в и л а м классификационных

обществ. Однако и

в отношении весовых нагрузок в последнее время отмечается не­ обходимость введения некоторых поправок в традиционные упро­

щенные

методы расчета.

 

 

 

 

 

 

Так,

на

современных танкерах и судах для перевозки

навалоч­

ных

грузов

применяется чередующаяся загрузка

танков

или трю­

мов

(выделение части танков

только

д л я водяного

балласта — на

танкерах,

перевозка

тяжелой

руды

только

в части

трюмов — на

судах для

перевозки

навалочных грузов). В

этом

случае

при опре­

делении изгибающих моментов и перерезывающих сил на тихой воде необходимо учитывать концентрацию нагрузки в районе по­ перечных переборок [101]: часть весовой нагрузки или сил поддер­ ж а н и я , воспринимаемая переборкой, передается на борта и про­

дольные

переборки

в

виде сосредоточенных

сил,

что

приводит

к заметной ошибке

при прямом

интегрировании

разницы между

весовой

нагрузкой

и

силами поддержания .

Д а ж е

для

обычных

транспортных судов

характерна

некоторая изменчивость

нагрузок

на тихой воде в зависимости от -конкретных условий загружения

судна

в к а ж д о м рейсе,

а т а к ж е

в течение

одного

рейса

(за счет

расходования топлива,

воды

и

с н а б ж е н и я ) .

Д л я

судов

специ­

ального назначения, например промысловых, характерно

сущест­

венное изменение нагрузки на тихой воде в течение рейса

(расхо­

дование топлива и запасов, прием

у л о в а ) .

 

 

 

 

 

К

квазистатическим

составляющим относятся

и температур­

ные

эксплуатационные

нагрузки.

Теория

температурных

нагру­

зок

развита Ю. А. Шиманским

[99] и другими.

Н а

I М е ж д у н а р о д ­

ном конгрессе по конструкции и прочности судов [65] приведен достаточно полный обзор данных по усилиям и повреждениям, возникающим из-за существенных температурных градиентов. Ис­ пользование расчетов температурных усилий не нашло еще долж ­

ного распространения

в

проектной

практике

ввиду

сложности

вопроса и

отсутствия

достоверных

данных

по распределению

температур

в корпусных

конструкциях в зависимости

от измене-

79

Смотрите также файлы