КОРАБЛЕБУДУВАННЯ

КОРАБЛЕБУДУВАННЯ
УДК 629.5.022.25
Б 77
А.П. Бойко, доц., канд. техн. наук; А.В. Бондаренко, доц., канд. техн. наук
Национальный университет кораблестроения, г. Николаев
АЛГОРИТМ РАСЧЕТА ОБЩЕЙ ПРОЧНОСТИ СУДОВ С МАЛОЙ
ПЛОЩАДЬЮ ВАТЕРЛИНИИ
Предложен алгоритм расчета общей продольной и поперечной прочности судов с малой площадью
ватерлинии в аспекте определения массы порожнем на начальных этапах проектирования.
Запропоновано алгоритм розрахунку загальної подовжньої і поперечної міцності суден з малою
площею ватерлінії в аспекті визначення маси порожнем на початкових етапах проектування.
The algorithm of calculation of general longitudinal and transversal strength of small waterpline area
twin hull ship in the aspect of definition of lightship weight on early design stages is offered.
Ключевые слова: судно с малой площадью ватерлинии, общая продольная прочность,
общая поперечная прочность, приведенные напряжения, масса порожнем.
Постановка проблемы. При проектировании судов с малой площадью ватерлинии (СМПВ) конструктору приходится решать достаточно много различных
задач, среди которых важное место занимает максимизация полезной нагрузки.
В первую очередь это связано с обеспечением высокой экономической эффективности судна. Данная задача, как правило, решается за счет снижения водоизмещения порожнем, достичь которого можно путем рационального проектирования конструкции корпуса.
Рациональное проектирование корпусных конструкций напрямую связано
с прочностью, поскольку предусматривает выбор таких толщин листовых элементов и размеров подкрепляющего набора, при которых выполняются нормы прочности, установленные классификационным обществом.
Вопросы, связанные с определением расчетных нагрузок, изучены в целом
ряде работ [2, 4, 6, 7]. В то же время в большинстве Правил классификационных
 А.П. Бойко, А.В. Бондаренко
КОРАБЛЕБУДУВАННЯ
обществ отсутствуют указания по определению расчетных нагрузок на корпус
СМПВ, что создает значительные трудности для проектных организаций. Анализ
публикаций также показал, что на начальных стадиях проектирования вопросы
прочности, как правило, не рассматриваются и не связываются с расчетом нагрузки масс или же учитываются косвенно в измерителях масс.
Такой подход для СМПВ является не совсем корректным, поскольку надежной статистики по измерителям масс структурных элементов корпуса СМПВ нет,
а большие погрешности могут привести к значительному отклонению реального
водоизмещения от проектного. На сегодняшний день уже имеется неудачный опыт
проектирования научно-исследовательского СМПВ "Ferdinand R. Hassler" (2010 г.),
когда заказчик при 98 % готовности отказался от судна ввиду значительного увеличения водоизмещения (17,8 т при полном водоизмещении 720 т) и, как следствие, невозможности выполнения поставленных задач.
Поэтому целью статьи является обоснование алгоритма расчета общей прочности судов с малой площадью ватерлинии на основании требований классификационных
обществ в аспекте определения нагрузки масс на начальных этапах проектирования.
Изложение основного материала. Схема расчета полного водоизмещения
СМПВ достаточно подробно рассмотрена в статье [1]. В данной работе основное
внимание уделено расчету прочности, который выполняется после определения
размеров конструктивных элементов.
На двухкорпусное судно с малой площадью ватерлинии при движении на волнении действуют различные силы и моменты. Анализ Правил различных классификационных обществ, в которых есть требования к проектированию СМПВ [5, 8],
показал, что на начальных стадиях проектирования при оценке общей прочности
достаточно учесть только такие внешние нагрузки, как изгибающие моменты и перерезывающие силы, которые действуют в продольных и поперечных сечениях
корпуса, а также крутящие моменты (представлены на рисунке).
MT
M MW
M MW
WL
MT
QT
MB
MB
WL
Схема внешних нагрузок, действующих на корпус СМПВ:
MMW – вертикальный изгибающий момент; MT – крутящий момент;
MB – поперечный изгибающий момент; QT – перерезывающая сила
А.П. Бойко, А.В. Бондаренко
Для двухкорпусных СМПВ, как и для традиционных катамаранов, проблема
оценки общей прочности связана, прежде всего, с наличием соединяющей корпуса
конструкции – платформы. Поэтому при расчете общей прочности СМПВ, кроме
рассмотрения продольной прочности, необходимо рассчитывать поперечную прочность платформы.
В данной статье излагается методика проверочного расчета общей прочности СМПВ, в основу которой положены рекомендации [8].
Вначале производится расчет общей продольной прочности СМПВ, который
включает расчет изгибающих моментов и перерезывающих сил.
Вертикальный изгибающий момент MMW, включая момент на тихой воде и на
волнении, рассчитывается для случаев прогиба и перегиба судна по формуле [8]
MMW = Ff Df MM кН⋅м,
где Ff = – 1 для случая прогиба, Ff = 1 для перегиба; Df = 0 в корме судна, Df = 1
между 0,4LR и 0,65LR (LR = 0,97LS – длина по Правилам, м; LS – длина стойки, м),
Df = 0 в носу судна; M M = S f G f E f CWP L2S,5 BM ; CWP – коэффициент полноты площади ватерлинии (не меньше чем 0,5); Sf = 1,1 для пассажирских судов; Gf – коэффициент, зависящий от района эксплуатации судна [8]; Ef = 0,125 для прогиба, Ef = 0,2
для перегиба; BM – суммарная ширина стоек, м.
Перерезывающие силы определяются следующим образом:
QT =
3K f M M
кН,
LS
где Kf – коэффициент, зависящий от направления перерезывающей силы (положительное или отрицательное) и положения по длине судна.
После определения вертикального изгибающего момента и перерезывающей
силы по традиционным зависимостям строительной механики корабля [3] рассчитываются нормальные и касательные напряжения, действующие в продольных
связях корпуса СМПВ.
В качестве характеристики, по которой можно судить о прочности конструкции СМПВ в условиях сложного напряженного состояния, используются приведенные напряжения [3]
σ пр = σ 2 + 3τ 2 ,
(1)
где σ, τ – нормальные и касательные напряжения соответственно.
Далее выполняется проверка прочности по допускаемым напряжениям [3]:
σ пр ≤ σ доп ,
где σдоп – допускаемые напряжения.
(2)
КОРАБЛЕБУДУВАННЯ
Алгоритм расчета общей прочности СМПВ предполагает рассмотрение так
называемого "эквивалентного бруса". При определении размеров основных конструктивных элементов, входящих в состав "эквивалентного бруса", учитываются
действующие нагрузки в соответствии с требованиями классификационных
обществ к прочности судов данного типа [5, 8].
Для тестирования предложенного алгоритма использовалось пассажирское
судно с малой площадью ватерлинии "Princes Maxima", которое имеет следующие
характеристики: длину наибольшую 37,40 м; ширину наибольшую 17,31 м; осадку
4,20 м; водоизмещение 415 т.
Как показал проверочный расчет общей продольной прочности судна "Princes
Maxima" (приведен в таблице), продольные изгибающие моменты и перерезывающие силы как при прогибе, так и при перегибе незначительные по величине. Это
объясняется тем, что в продольном направлении наблюдается достаточно равномерное распределение массы СМПВ.
Как видно из приведенного примера, требования общей продольной прочности
судна удовлетворяются с достаточно большим запасом. Следовательно, главное
значение имеет обеспечение поперечной прочности.
Пример расчета общей продольной прочности судна с малой площадью ватерлинии "Princes
Maxima"
Характеристики
Прогиб
Перегиб
–1338
2141
Изгибающий момент, кН⋅м
Перерезывающая сила, кН
91
145
Момент сопротивления, см3:
547750
днища
палубы
758485
Напряжения, Мпа:
нормальные
–2,44
3,91
касательные
28,50
45,60
приведенные
79,08
допускаемые
222,00
Коэффициент запаса прочности
2,80
Необходимо отметить, что в условиях волнения напряженное состояние различных связей двухкорпусного СМПВ зависит от ориентации судна относительно
направления распространения волн. На попутном, встречном и близких к ним курсах конструкции моста не испытывают заметных деформаций вследствие практически одинаковых внешних нагрузок, действующих на корпуса судна. При произвольной ориентации судна на волнении нагрузки, действующие на основные корпуса, различны. Соединительный мост воспринимает разность нагрузок и оказывается достаточно напряженным. На основании имеющихся теоретических и экспериментальных исследований [2, 4] можно считать, что в смысле восприятия волновых нагрузок наиболее опасными для работы соединительного моста являются
режимы при ориентации судна по отношению к направлению распространения волн
под углом и в положении лагом. Так, Правила [8] рекомендуют для расчета проч-
А.П. Бойко, А.В. Бондаренко
ности соединительной конструкции использовать следующие комбинации внешних
нагрузок в зависимости от положения судна по отношению к волнению:
1) на встречном волнении –
0,1М В + M MW + 0,1M T ;
2) лагом к волне –
М В + 0,1M MW + 0,2 M T ;
3) на косом курсе –
0,1М В + 0,4 M MW + M T .
Значения моментов МВ, МMW, МT определяются в условиях прогиба и перегиба корпуса судна.
Поперечный изгибающий момент рассчитывается по формуле
M B = FFS (H DK + 0,5d ) кН⋅м,
где HDK – вертикальный клиренс, м; d – осадка, м; FFS – боковая (горизонтальная)
сила, которая находится следующим образом:
FFS = G f T∆2 3 Ψ1Ψ2 кН,
где ∆ – водоизмещение, т; Ψ1 = 1,55 − 0,75 th ( ∆ 11000 ); Ψ2 = 0,75 + 0,35th (1,64LS ∆−1 3 −
− 6) .
Крутящий момент вычисляется по выражению
M T = G f ∆LR av кН⋅м,
где av – вертикальные ускорения, м/с2.
Проверка прочности соединительной конструкции СМПВ производится по
формулам (1) и (2).
Необходимо отметить, что при определении напряжений, действующих в связях соединительной конструкции, производится расчет "эквивалентного бруса", в который необходимо включать: обшивку прочных поперечных переборок, расположенные на переборках горизонтальные связи, присоединенные пояски палубы вместе с находящимися в пределах пояска поперечными связями.
Авторами была разработана и реализована в виде программного обеспечения
математическая модель определения оптимальных характеристик СМПВ, учитывающая требования к прочности конструкций при расчете массы корпуса [1]
и включающая проверку общей прочности по изложенному алгоритму.
КОРАБЛЕБУДУВАННЯ
Вывод. Предложенный алгоритм может эффективно использоваться для расчета нагрузки масс судов с малой площадью ватерлинии с учетом общей продольной и поперечной прочности на начальных стадиях проектирования.
Список использованной литературы
1. Бойко, А. П. Определение массы судна с малой площадью ватерлинии на ранних
стадиях проектирования [Текст] / А. П. Бойко, А. В. Бондаренко // Зб. наук. праць НУК. –
Миколаїв : НУК, 2008. – № 5 (422). – С. 25–30.
2. Многокорпусные суда [Текст] / А. Н. Алексеев, А. А. Алисейчук, А. Д. Батуев [и др.] ;
под ред. В. А. Дубровского. – Л. : Судостроение, 1978. – 304 с.
3. Постнов, В. А. Строительная механика корабля и теория упругости [Текст] : учеб. для
вузов : в 2 т. / В. А. Постнов. – Л. : Судостроение, 1987. – Т. 1 : Теория упругости и численные
методы решения задач строительной механики корабля. – 288 с.
4. Dubrovskiy, V. Small Waterplane Area Ships [Text] / V. Dubrovskiy, K. Matveev, S. Sutulo.
– Fair Lawn : Backbone Publishing Co., 2007. – 255 p.
5. Guidelines for Construction of Small Waterplane Area Twin Hull Craft [Text] / China
Classification Society, 2005. – 62 p.
6. Lee, S. G. Thin-Walled Beam Model for Structural Analysis of SWATH [Text] / S. G. Lee,
Y. S. Ko // Trans. of the Society of Naval Architects of Korea. – 1993. – Vol. 30, № 4. – P. 136–152.
7. Paik, J. K. Ultimate Limit State Design Technology for Aluminum Multi-Hull Ship Structures
[Text] / J. K. Paik, O. F. Hughes, P. E. Hess // Trans. SNAME. – 2005. – Vol. 113. – P. 1–37.
8. Rules and Regulations for the Classification of Special Service Craft [Text] / Lloyd's Register
Rule, 2008.
Надійшла до редколегії 13.12.10
Статтю рекомендує до друку член редколегії ЗНП НУК
д-р техн. наук, проф. Л.І. Коростильов