Величко С.В. Устройство и живучесть корабля

Подождите немного. Документ загружается.

Угол крена (

) характеризует наклонение корабля

относительно продольной оси. Крен корабля измеряется по

кренометру,

>0 при крене на правый борт. Если

=0, то

говорят, что «корабль сидит прямо».

Посадка корабля считается нормальной, если он, не имея

хода, сидит прямо с углублением Т и незначительным

дифферентом на нос, а на ходу с незначительным дифферентом

на корму.

Кривые элементов теоретического чертежа

В расчетах плавучести, остойчивости и некоторых других

эксплуатационных свойств и качеств корабля используются

элементы погруженного объема корпуса.

К ним относятся: площадь ватерлинии S, координаты ее

геометрического центра (X

, Y

), моменты инерции этой площади

относительно продольной и поперечной центральных осей Ix, Iyf,

погруженная площадь шпангоута w, погруженный объем V и

координаты геометрического центра этого объема, называемого

центром величины (ЦВ): Х

, У

, Z

Приближенно некоторые из перечисленных элементов

погруженного объема можно определить из формул для

коэффициентов, теоретического чертежа (1.1-1.3), а именно:

S=α/(LB), (1.7)

ω=

/(ВТ) (1.8)

/(LBT). (1.9)

Более точно элементы погруженного объема корпуса

определяются с помощью теоретического чертежа. В общем

случае они зависят от всех параметров посадки корабля: Т,

Для наиболее простого случая, когда

равны нулю,

элементы погруженного объема будут зависеть только от одного

параметра Т и для этого случая их можно определить с помощью

кривых элементов теоретического чертежа, представленных на

рис. 1.5. Указанные кривые включаются в состав корабельной

документации.

Рис. 1.5. Кривые элементов теоретического чертежа.

Несмотря на то, что кривые элементов теоретического

чертежа составлены для корабля, плавающего без крена и

дифферента, их с достаточной точностью можно использовать

при крене до 10° и дифференте до 2°.

Пользование кривыми элементов теоретического чертежа

по известным Т или V не представляет трудностей. Например,

для Т=4 м проводим прямую, параллельную оси абсцисс для

заданной осадки, и для точек пересечения этой прямой с

кривыми элементов определяем их значения: S=783 м

, V=2330

, Х

=-3,7 м; X

=-5,0 м; Z

=2,5 м; L

=52·10

-2

, L

=440·10

-2

1.2. ПЛАВУЧЕСТЬ КОРАБЛЯ

Плавучестью называется способность корабля плавать в

заданном положении относительно поверхности воды, имея на

себе все грузы, необходимые для выполнения задач,

свойственных данному кораблю.

Условия и уравнения равновесия корабля

В соответствии с законом Архимеда на корабль,

плавающий в. спокойной воде без хода, действуют две категории

сил: силы тяжести всех частей (грузов) корабля и силы

гидростатических давлений, действующих на погруженную в

воду часть корпуса корабля.

Все силы тяжести могут быть приведены к одной

равнодействующей - силе тяжести корабля Р, приложенной в

центры масс (ЦМ) корабля G (xg, yg, zg) и направленной

вертикально вниз (рис. 1.7):

Рис. 1.7

P=m·g, KH (тc), (1.12)

где m - масса корабля, т;

g - ускорение свободного падения.

Следует различать понятия веса и массы корабля. Масса

корабля измеряется в тоннах (т), а вес - килоньютонах (кН) или

тонна-силах (тc). Масса корабля в тоннах, численно равна весу в

тонна-силах.

Силы гидростатических давлений также могут быть

приведены к одной равнодействующей силе плавучести или

выталкивающей силе D, приложенной в центре величины С (Хс,

Ус, Zc) и направленной вертикально вверх. Положение ЦВ

изменяется в зависимости от изменения величины или формы

подводного объема.

По величине сила плавучести равна весу вытесняемой

кораблем воды:

D=pgV, кН (тc), (1.13)

где p - плотность воды, т/м

; V - объем, вытесненный

корпусом корабля, м

Равновесие корабля определяется двумя условиями: - сила

тяжести и сила плавучести должны быть равны по величине:

P=γV=D (1.14)

где ЦМ и ЦВ - должны лежать на одной вертикали:

Если при P=D не будет соблюдено второе условие, то

корабль будет наклоняться до тех пор, пока точки G и С не

окажутся на одной вертикали. Корабль будет иметь начальный

статический крен и дифферент.

Для надводного корабля эти условия выполняются

автоматически, так как при изменении силы тяжести Р и

координат ЦМ соответственно изменяются сила плавучести D и

координаты ЦВ.

Используя условия равновесия, можно рассчитать силу

тяжести и координаты центра масс корабля после приема или

расходования грузов. В тактическом формуляре корабля

указываются величины силы тяжести F и координаты ЦМ - X

, Z

спецификационных нагрузок.

Тогда сила тяжести корабля Р и координаты ЦМ после

приема или расходования грузов могут быть определены по

формулам:

Р=Рсп+

∑

(1.17)

= P

сп

∑

= P

сп

∑

= P

сп

∑

где pi, Xi, yi, Zi - силы тяжести и координаты центров масс

принимаемых или расходуемых грузов, при этом сила тяжести

снимаемых грузов берется со знаком «минус».

Объем подводной части корпуса V и координаты ЦВ (Хс,

Ус, Zc) являются функциями параметров посадки корабля и

могут быть определены с помощью кривых элементов

теоретического чертежа или масштаба Бонжана.

Величины Р и V, а также положения ЦМ и ЦВ корабля при

произвольной нагрузке необходимо учитывать при оценке

мореходных качеств корабля в этом состоянии.

Водоизмещения корабля

Способность корабля плавать в заданном положении

относительно поверхности воды обеспечивается наличием силы

плавучести, которая уравновешивает силу тяжести. Поэтому

величина силы плавучести корабля может быть принята в

качестве меры плавучести или водоизмещения корабля.

Различают следующие водоизмещения корабля: - объемное

водоизмещение V - величина, численно равная объему воды,

вытесняемой корпусом корабля в режиме плавания без хода;

- весовое водоизмещение D=

V - величина, численно

равная весу воды в объеме V, вытесняемом корпусом корабля;

- массовое водоизмещение M=pV, равное массе воды в

объеме V, вытесняемом корпусом корабля.

Для надводных кораблей наиболее часто употребляется

массовое водоизмещение.

В процессе плавания водоизмещение корабля может

существенно изменяться за счет приема и расходования

переменных грузов: боезапаса, продовольствия, топлива,

питьевой воды, питательной воды для энергетической установки.

Для сравнительной оценки состояния нагрузки надводных

кораблей различают следующие типовые (спецификационные)

водоизмещения:

- порожнее водоизмещение полностью построенного

корабля без переменных грузов;

- стандартное водоизмещение корабля с переменным

грузами, кроме топлива, смазочного масла и питательной воды;

- нормальное водоизмещение, равное стандартному плюс

половина запасов топлива, смазочного масла и питательной

воды, предусмотренного спецификацией;

- полное водоизмещение полностью построенного корабля

со всеми переменными грузами, предусмотренными

спецификацией;

- наибольшее водоизмещение корабля с дополнительными,

сверх предусмотренных спецификацией переменными грузами,

принятыми в специально оборудованные для этого места.

Перечисленные водоизмещения являются исходными для

определения нагрузки корабля в процессе эксплуатации, их

значения заносятся в тактический формуляр и другую отчетную

документацию корабля.

Запас плавучести

Способность надводного корабля автоматически

уравновешивать дополнительно принимаемые грузы

обусловлена возможностью увеличения подводного объема

(объемного водоизмещения). Эта возможность ограничена

величиной непроницаемого объема, расположенного выше

ватерлинии, который является мерой неизрасходованной

плавучести или запасом плавучести.

Таким образом, под запасом плавучести понимается

непроницаемый для воды объем надводной части корпуса

корабля или та масса грузов, которую корабль может принять

сверх имеемой нагрузки до полного погружения.

Обычно запас плавучести (ЗП) измеряется в процентах от

объема подводной части корабля:

ЗП% = [(V

нк

- V)100]/V, (1.19)

где Vнк - непроницаемый для воды объем корпуса корабля;

V - объем подводной части (объемное водоизмещение). Запас

плавучести неповрежденных надводных кораблей равен 100 -

150% нормального водоизмещения. Следует помнить, что запас

плавучести имеет жизненно важное значение для корабля и

является одним из основных элементов, обеспечивающих его

непотопляемость.

Изменение средней осадки корабля от приёма и

расходования грузов

В общем случае на корабль могут приниматься и

расходоваться с него несколько грузов

одновременно. При

определении изменений элементов плавучести все эти грузы

можно заменить эквивалентным грузом, который вызывает такое

же изменение силы тяжести и координат ЦМ корабля, как и

фактические грузы. Силы тяжести эквивалентного груза р и

координаты его ЦМ (Хр, Ур, Zp) определяются по следующим

формулам:

P=Pi; (1.20)

∑

/p, Y

∑

/p, Z

∑

где p

- силы тяжести отдельных грузов (израсходованные

грузы берутся со знаком «минус»); Xpi, Ypi, Zpi - координаты

ЦМ отдельных грузов. В дальнейшем будет рассматриваться

только единичный эквивалентный груз. При этом расходование

груза равнозначно его приему с р<0.

Прием (расходование) груза вызывает изменения

водоизмещения корабля и в общем случае приводит к

изменению всех параметров посадки. В данном параграфе будет

рассмотрен частный случай, когда прием или расходование груза

вызывает только изменение Т. Общий случай будет приведен

после рассмотрения остойчивости корабля. Предположим, что в

исходном положении корабль плавает по ватерлинию ВЛ.

После приема груза р он будет плавать по ватерлинию

B1JI1, которая при условии неизменности θ и Ψ будет

параллельна ватерлинии ВЛ. При этом в воду войдет

дополнительный водонепроницаемый объем δV и автоматически

выполнится первое условие равновесия:

P+p=

V+

γδ

V (1.22)

Из этого выражения следует, что

р=γδV (1.23)

Таким образом, условием приема (расходования) груза без

изменения θ и Ψ является расположением ЦМ принимаемого

груза или системы грузов на одной вертикали с ЦВ входящего

(выходящего) в воду непроницаемого объема корпуса корабля.

Для приближенных корабельных расчетов для малого

груза допустимо считать, что центр величины добавочного

объема V лежит на одной вертикали с геометрическим центром

площади исходной ватерлинии. Тогда, условием приема

(расходования) малого груза без изменения можно считать:

Хр=Xf; Ур=Уf=0.

Если корабль в исходном положении имел θ и Ψ, близкие к

нулю, и после приема (расходования) груза они не изменяются,

то приращение средней осадки T можно определить с помощью

кривой грузового размера V (Т), которая имеется в составе

кривых элементов теоретического чертежа (рис. 1.5). Для этого

по известной осадке Т определяется величина объемного

водоизмещения V для исходного положения корабля, а по

формуле (1.23) - изменение объемного водоизмещения от приема

(расходования) груза. Тогда новое объемное водоизмещение

будет

Vi=V+V (1.24)

и ему будет соответствовать осадка T.

Искомое изменение средней осадки

T=Ti - Т (1.25)

В случае приема (расходования) малого груза можно

принять

δV=S, (1.26)

где S - площадь исходной ватерлинии, определяемой по

кривым элементов теоретического чертежа по известной Т.

Учитывая формулу (1.23), получим

δT =р/γS. (1.27)

Если принять δT =1 см и измерять р в тc, γ в тс/см

и S

то получим выражение для числа тонн на сантиметр осадки, под

которым понимается масса в тоннах такого груза, от приема

(снятия) которого осадка изменяется на 1 см:

1cм

= 0,01δS тc (1.28)

1.3. ОСТОЙЧИВОСТЬ КОРАБЛЯ

Остойчивостью называется способность свободно

плавающего корабля, выведенного из положения равновесия под

действием внешних сил, вновь возвращаться в первоначальное

положение.

Различают продольную и поперечную остойчивости.

Поперечная остойчивость связана с углами крена, продольная - с

углами дифферента.

Определение остойчивости корабля проводят при малых и

больших углах наклонения. К малым углам наклонения

относятся углы крена до 10 - 12° и углы дифферента до 2 - 3°.

Остойчивость на малых углах наклонения называют

начальной остойчивостью.

В зависимости от характера внешних сил, выводящих

корабль из положения равновесия, различают остойчивости

статическую и динамическую. При статической остойчивости

наклоняющие корабль силы не вызывают значительных угловых

ускорений и ими на практике можно пренебречь. Если

наклоняющие корабль силы вызывают значительные угловые

ускорения, то остойчивость корабля при этом называют

динамической.

Начальная остойчивость корабля

При определении начальной остойчивости принимаются

следующие допущения: наклонения равнообъемны, т. е. объемы,

входящие в воду и выходящие из воды при наклонениях, равны

между собой; центр величины при наклонениях перемещается по

дуге окружности.

Рассмотрим начальную поперечную остойчивость корабля

(рис. 1.9).

γV=D

Рис.1.9.Начальная поперечная остойчивость корабля

Если корабль под действием кренящего момента Mкр.

получит малый угол крена θ, то за счет изменения формы

подводного объема ЦБ переместится в точку C

. Сила

плавучести D при этом будет направлена вертикально вверх и

перпендикулярна новой ватерлинии В

Согласно принятому допущению ЦБ при малых углах

наклонения перемещается по дуге окружности. Центр этой

окружности находится на пересечении линий действия силы

плавучести в прямом и наклонном положениях и называется

метацентром (m). Расстояние от метацентра до ЦВ называется

метацентрическим радиусом (r).

Что касается ЦМ корабля, то в данном случае он останется

в точке G, так как никакие грузы на корабль не принимались, а

имеемые не перемещались. Таким образом, после наклонения

корабля силы Р и D перестают действовать по одной вертикали и

образуют пару сил с плечом GК, которое называется плечом

статической остойчивости. Момент этой пары сил называется

восстанавливающим моментом. Чтобы корабль обладал

положительной начальной остойчивостью, необходимо, чтобы

восстанавливающий момент был направлен против наклонения