Прочность кораблей — тема, представляющая ключевой интерес для судостроителей и морских инженеров . Корабли , построенные слишком прочно, тяжелые, медленные и требуют дополнительных затрат на постройку и эксплуатацию, поскольку они весят больше, в то время как корабли, построенные слишком слабо, получают незначительные повреждения корпуса, а в некоторых крайних случаях — катастрофические разрушения и затопления.
Корпуса судов подвергаются воздействию различных нагрузок.
Если конструкция судна, оборудование и груз распределены неравномерно, в конструкции могут возникать большие точечные нагрузки, а если они распределены не так, как распределена плавучесть вытесненной воды, то на корпус действуют изгибающие силы.
Когда корабли ставятся в сухой док и строятся, их поддерживают опоры, расположенные на одинаковом расстоянии друг от друга на днище.
Первичная прочность, нагрузки и изгиб корпуса судна — это нагрузки, которые воздействуют на весь корпус, рассматриваемый спереди назад и сверху вниз. Хотя это можно считать включающим общие поперечные нагрузки (из стороны в сторону внутри судна), обычно это применяется только к продольным нагрузкам (из конца в конец). Корпус, рассматриваемый как одна балка , может изгибаться
Это может быть связано с:
Основные изгибающие нагрузки корпуса обычно максимальны в средней части судна и, как правило, очень незначительны за пределами середины носа или кормы.
Первичные расчеты прочности обычно рассматривают поперечное сечение миделя судна. Эти расчеты рассматривают всю конструкцию судна как одну балку, используя упрощенное уравнение балки Эйлера-Бернулли для расчета прочности балки при продольном изгибе. Момент инерции (технически, второй момент площади ) сечения корпуса рассчитывается путем нахождения нейтральной или центральной оси балки, а затем суммирования количества для каждой секции пластины или балки, составляющих корпус, причем - момент инерции этого сечения материала, - ширина (горизонтальный размер) сечения, - высота сечения (вертикальный размер), - площадь сечения и - вертикальное расстояние центра этого сечения от нейтральной оси.
Расчеты основных прочностных нагрузок обычно суммируют вес и плавучесть судна вдоль корпуса, разделяя корпус на управляемые продольные секции, такие как один отсек, произвольные десятифутовые сегменты или некоторые подобные управляемые подразделения. Для каждого условия загрузки вес вытесненной воды или плавучесть рассчитываются для этой секции корпуса на основе вытесненного объема воды в этой секции корпуса. Вес корпуса рассчитывается аналогично для этой длины, а также вес оборудования и систем. Затем вес груза добавляется к этой секции в зависимости от проверяемых условий загрузки.
Затем общий изгибающий момент на спокойной воде рассчитывается путем интегрирования разницы между плавучестью и общим весом по длине судна.
Для судна в движении к этому значению добавляется дополнительный изгибающий момент, чтобы учесть волны, с которыми оно может столкнуться. Используются стандартные формулы для высоты и длины волны, которые учитывают размер судна. Наихудшие возможные волны, как отмечено выше, когда либо гребень волны, либо впадина расположены точно посередине судна.
Эти общие изгибающие нагрузки, включая изгибающий момент на тихой воде и волновые нагрузки, представляют собой силы, которые должна выдерживать вся главная балка корпуса.
Вторичные нагрузки на корпус, изгиб и прочность — это те нагрузки, которые возникают в обшивке судна (борта, днище, палуба) между основными продольными секциями или переборками . Для этих нагрузок нас интересует, как эта более короткая секция ведет себя как интегрированная балка под действием локальных сил вытесненной воды, отталкивающих корпус, груз, вес корпуса и машин и т. д. В отличие от первичных нагрузок, вторичные нагрузки рассматриваются как приложенные к сложной композитной панели, поддерживаемой по бокам, а не как к простой балке.
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. Затем эти нагрузки заставляют композитную панель деформироваться, обычно изгибаясь внутрь между переборками, поскольку большинство нагрузок являются сжимающими и направлены внутрь. Напряжение в конструкции рассчитывается из нагрузок и изгиба.
Третичная прочность и нагрузки — это силы, прочность и изгибающая реакция отдельных секций пластины корпуса между ребрами жесткости, а также поведение отдельных секций ребер жесткости. Обычно третичную нагрузку проще рассчитать: для большинства секций существует простая максимальная гидростатическая нагрузка или гидростатическая плюс ударная нагрузка для расчета. Пластина поддерживается этими нагрузками по ее краям ребрами жесткости и балками. Прогиб пластины (или ребра жесткости) и дополнительные напряжения просто рассчитываются из этих нагрузок и теории пластин и оболочек.
На этой схеме показаны основные конструктивные элементы основного корпуса судна (за исключением носа, кормы и рубки).
Изображенный корпус представляет собой образец небольшого нефтяного танкера с двойным дном (но не двойным корпусом ).
Общая нагрузка на определенную секцию корпуса судна представляет собой сумму всех первичных, вторичных и третичных нагрузок, приложенных к ней со стороны всех факторов. Типичным тестовым случаем для быстрых расчетов является середина секции днища корпуса между ребрами жесткости, близко к средней части судна или в ней, где-то посередине между килем и бортом судна.
Такие судоклассификационные общества , как Det Norske Veritas , American Bureau of Shipping и Lloyd's Register of Shipping, установили стандартные формы расчета для нагрузок на корпус, требований к прочности, толщины обшивки корпуса и усиливающих ребер жесткости, балок и других конструкций. Эти методы часто дают быстрый способ оценки требований к прочности для любого конкретного судна. Почти всегда эти методы дадут консервативные или более высокие, чем точно требуется, значения прочности. Однако они предоставляют подробную отправную точку для анализа конструкции конкретного судна и того, соответствует ли она общепринятым отраслевым стандартам или нет.
Современные суда, почти без исключения, строятся из стали . Как правило, это довольно стандартная сталь с пределом текучести около 32 000–36 000 фунтов на квадратный дюйм (220–250 МПа) и пределом прочности на растяжение или пределом прочности на растяжение (UTS) более 50 000 фунтов на квадратный дюйм (340 МПа).
Сегодня судостроители используют стали, которые обладают хорошей коррозионной стойкостью при воздействии морской воды и не становятся хрупкими при низких температурах (ниже нуля). Многие корабли выдерживают холодные зимние штормы, а использование некоторых старых корабельных сталей, которые были недостаточно прочными при низких температурах, привело к тому, что корабли треснули пополам и затонули в Атлантике во время Второй мировой войны.
Эталонной маркой стали является ABS A, указанная Американским бюро судоходства . Эта сталь имеет предел текучести не менее 34 000 фунтов на квадратный дюйм (230 МПа), обладает пределом прочности на растяжение от 58 000 до 71 000 фунтов на квадратный дюйм (от 400 до 490 МПа) и должна удлиняться не менее чем на 19% в образце длиной 8 дюймов (200 мм) до разрушения и на 22% в образце длиной 2 дюйма (50 мм).
Коэффициент безопасности выше предела текучести должен быть применен, поскольку сталь, регулярно доведенная до предела текучести, будет страдать от усталости металла . Стали, как правило, имеют предел усталости , ниже которого любое количество циклов нагрузки напряжения не вызовет усталости металла и трещин/разрушений. Критерии проектирования судов, как правило, предполагают, что все нормальные нагрузки на судно, умноженные на умеренный коэффициент безопасности, должны быть ниже предела усталости для стали, используемой в их конструкции. Разумно предположить, что судно будет регулярно работать с полной загрузкой, в штормовую погоду и при сильных волнах, и что оно будет сталкиваться со своими максимальными нормальными проектными условиями эксплуатации много раз в течение своего срока службы.
Проектирование ниже предела усталости по совпадению и выгодно дает большие (до 6 и более) общие коэффициенты безопасности от нормальных максимальных рабочих нагрузок до предельного разрыва конструкции при растяжении. Но эти большие предельные запасы безопасности не являются целью: цель состоит в том, чтобы основное эксплуатационное напряжение и деформация на судне в течение предполагаемого срока службы не вызывали серьезных усталостных трещин в конструкции. Очень немногие суда когда-либо сталкиваются с условиями предельной нагрузки где-либо вблизи их пределов грубого разрушения. Вероятно, что без проблем усталости требования к прочности судна были бы несколько ниже.
Хотя можно разработать довольно точный анализ судовых нагрузок и реакций вручную или с использованием минимальных компьютерных средств, таких как электронные таблицы, современные компьютерные программы САПР обычно используются сегодня для создания гораздо более подробных и мощных компьютерных моделей конструкции. Инструменты анализа конечных элементов используются для детального измерения поведения при приложении нагрузок. Эти программы могут обрабатывать гораздо более сложные расчеты изгиба и точечной нагрузки, чем инженеры-люди в разумные сроки.
Однако все еще важно иметь возможность вручную рассчитать грубое поведение корпусов судов. Инженеры не доверяют выходным данным компьютерных программ без некоторой общей проверки реальности, что результаты находятся в пределах ожидаемого порядка величины. Кроме того, предварительные проекты могут быть начаты до того, как будет доступно достаточно информации о конструкции для выполнения компьютерного анализа. [ необходима цитата ]
