Проектирование корпусных конструкций

Выше (см. § 8.2, 8.3) рассматривалась прямая задача прочности — определение напряжений в судовом корпусе, элементы которого известны, под действием также известных (либо заданных) внешних нагрузок. В процессе проектирования судна должна решаться и обратная задача — создание такой конструкции корпуса, которая обеспечивала бы ему заданную прочность, а также необходимые экономические показатели при постройке и эксплуатации судна.

Основной нормативный технический документ, используемый при проектировании корпусных конструкций морских транспортных судов, — Правила классификации и постройки морских судов Регистра. Аналогичные правила классификационных обществ действуют и в других странах (Английский и Германский Ллойды, Французский и Норвежский Веритасы и др.). В этих правилах содержатся требования к качеству материала, размерам элементов конструкций, указания по конструктивному оформлению основных узлов, принципиальные положения по изготовлению корпуса, техническому надзору за постройкой и эксплуатацией судов. В правилах обобщен опыт постройки и эксплуатации транспортных морских судов традиционных архитектурно-конструктивных типов. Считается, что надежность конструкций обеспечена, если они спроектированы в соответствии с требованиями этих правил.

Поверочные расчеты прочности проводят с использованием норм прочности, разработанных на основе Правил Регистра.

Цель проектирования корпусных конструкций — выбор их элементов таким образом, чтобы напряжения и (или) деформации не превосходили некоторых допустимых величин, устанавливаемых на основе опыта проектирования, постройки и эксплуатации судов.

В отечественной практике широко применяется следующая схема проектирования корпусных конструкций.

В соответствии с рекомендациями Правил разрабатывают конструктивные схемы отдельных перекрытий и определяют расчетные нагрузки, действующие на них. Из условия обеспечения местной прочности определяют толщины листовых элементов и размеры балок набора перекрытий. При этом проверяют устойчивость балок и пластин, выполнение требования к усилению конструкций в отдельных районах (МО, ледовый пояс и др.). Полученные размеры сопоставляют с минимально допустимыми. Находят требуемые, исходя из условий обеспечения прочности и жесткости при общем изгибе корпуса, значения момента сопротивления, площади стенки и момента инерции поперечного сечения эквивалентного бруса.

Если это необходимо по соображениям общей прочности, корректируют элементы продольных связей корпуса, выбранных из условия обеспечения местной прочности.

Требования к размерам элементов корпусных конструкций устанавливаются Правилами на основе нормирования их прочности к середине срока службы, т. е. учитывается неизбежный коррозионный износ. Так, например, толщину пластин находят в виде.

где 5' — расчетная толщина из условия местной прочности или устойчивости; Д5 — добавка на износ.

Аналогичные зависимости используют и для определения площадей поперечного сечения, моментов сопротивления и инерции балок набора. Добавки на коррозионное изнашивание назначаются в соответствии с рекомендациями Правил.

Величины допускаемых напряжений, входящие в условия прочности, в соответствии с Правилами назначают в долях от нормативных пределов текучести материала:

где [о], [т], [а]_пр — допускаемые нормальные, касательные и приведенные напряжения; k_c, ?_т, k_nf— соответствующие коэффициенты допускаемых напряжений; о и т — расчетные напряжения в рассматриваемых связях; о_н = 2,35 • 10⁵/т| и т_в = 0,57о_и — нормативные пределы текучести по нормальным и касательным напряжениям соответственно, кПа.

Условие прочности по приведенным напряжениям должно выполняться для связей, в которых одновременно действуют высокие нормальные и касательные напряжения.

Коэффициент «П зависит от предела текучести стали:

о_т10⁵, кПа…2,35 2,95 3,15 3,55 3,90.

т… 1,0 0,83 0,79 0,72 0,66.

Для элементов конструкций, которые подвержены действию больших сжимающих напряжений или испытывают значительные сдвиговые деформации, Правила устанавливают критические напряжения, зависящие как от эйлеровых напряжений, так и от предела текучести материала.

Необходимая величина момента сопротивления эквивалентного бруса в средней части судна устанавливается из условия обеспечения общей продольной прочности:

где М_гв, М[— расчетные изгибающие моменты на тихой воде и волновой на нерегулярном волнении; [о] — допускаемые нормальные напряжения от общего изгиба для состояния корпуса к середине срока службы; AW — запас на износ.

Изгибающие моменты определяют по рекомендациям, изложенным в § 8.2. Подсчитанный по (8.4) момент М_гв сравнивается с М_тМ, который устанавливается Правилами в зависимости от формы и размеров судна, условий его эксплуатации. Для нахождения требуемого момента сопротивления в (8.13) подставляется большая из двух величин М_п или М_т0.

Правилами устанавливается также и минимальная величина момента сопротивления поперечного сечения эквивалентного бруса в миделевом сечении корпуса:

где В, L, 6 — ширина, длина и коэффициент общей полноты судна; h — расчетная высота волны, определяемая по (8.8).

Нормирование Правилами минимальной величины момента сопротивления проводится из условия обеспечения достаточной жесткости корпуса при общем изгибе. При этом фактически нормируется максимально допустимый прогиб [см. (8.5)], поскольку, зная W₀ и положение нейтральной оси, легко найти и момент инерции 1₀ поперечного сечения эквивалентного бруса.

Для оценки отстояния е нейтральной оси от основной плоскости можно использовать зависимости.

для сухогрузных судов длиной 100 < L < 200 м,.

для танкеров той же длины без двойного дна.

Для танкеров большей длины L > 200 м рекомендуется принимать е = 0,5 Н, где Н — высота борта судна.

Проверка прочности судовых конструкций осуществляется путем сравнения действующих в них напряжений с допускаемыми.

Коэффициенты допускаемых напряжений k_t [см. (8.12)] назначаются в зависимости от характера воспринимаемой рассматриваемым элементом конструкции нагрузки (общий изгиб, местный изгиб, их сумма), от места расположения сечения (пролет или опора), от вида учтенной внешней нагрузки. Так, например, коэффициент нормальных допускаемых напряжений изменяется для основных элементов судового корпуса в пределах k_a = 0,35+0,70.

Второй метод проверки прочности по предельным нагрузкам заключается в сопоставлении действующих напряжений с разрушающими, в качестве которых принимается предел текучести с_т. Так, условие обеспечения предельной прочности при общем изгибе записывается в виде.

где Л/_|р = о_т • IT; IT — минимальный момент сопротивления эквивалентного бруса, вычисленный в предположении, что в верхней палубе действуют напряжения, равные пределу текучести (включаются только связи, не теряющие устойчивости вплоть до напряжений, равных а_г); М — расчетный момент в рассматриваемом сечении; п — коэффициент запаса по предельным нагрузкам.

В зависимости от типа и размеров судна, характера расчетной нагрузки коэффициент запаса изменяется в пределах п = 1,35+1,50. Трудоемкость корпусных работ составляет 35—45%, в связи с этим при проектировании конструкций необходимо особое внимание уделять технологичности корпуса. В основе понятия «технологичность» главным образом лежат требования минимальной трудоемкости и стоимости. В частности, решают следующие задачи: выбор схемы разбивки корпуса на блоки и секции с учетом особенностей завода-изготовителя; выбор наиболее совершенных и простых конструкций деталей и узлов; выбор максимально возможного количества унифицированных конструкций корпуса; учет серийности при выборе конструктивных решений и т. д.