Понятие о прочности корпуса корабля

Прочность корпуса корабля — это его способность восприни­мать действие внешних усилий, не разрушаясь и не получая оста­точных деформаций. Прочность — одно из важнейших свойств кор­пуса как сложного инженерного сооружения.

Корпус и все его элементы наделяют определенным запасом эксплуатационной прочности, компенсирующим возможное превышение воздействующих внешних сил над расчетными.

Военные корабли обладают еще и запасом боевой прочности на случай разрушения некоторых связей корпуса при воздействии оружия противника. Необходимая прочность корпуса корабля обес­печивается рациональным конструированием палуб, днища, бор­тов, переборок и др., а также корпуса в целом. Очень важно, чтобы конструкция корпуса была оптимальной — при необходимой прочности имела бы минимальную массу, так как боевая мощь корабля в конечном итоге зависит от той доли его водоизмещения, которая приходится на вооружение, механизмы и запасы.

Действующие на корабль различные усилия вызывают напряжения и деформации как корпуса в целом, так и отдельных его
конструкций. В первом случае весь корпус может быть представлен единым сооружением — пустотелой балкой переменного сече­ния. Прочность корпуса

как единого сооружения называется его общей прочностью. Общую прочность корпуса разделяют на общую продольную прочность, проявляющуюся при продольном изгибе корабля, и общую поперечную прочность — при его деформациях в поперечной плоскости. Нарушение общей прочности ведет к серьезным авариям, а иногда и гибели корабля. Во втором случае, при рассмотрении нагрузок на отдельные конструкции, говорят о местной прочности кор­пуса. Потеря местной прочности не создает непосредственной угрозы гибели корабля.

Изучением сил, действующих на корабль, и разработкой методов расчета прочности конструкций корпуса занимается специальная наука — строительная механика корабля. Она базируется в основном на математике и теоретической механике.

В расчетах прочности корпуса внешние силы, действующие на
корабль, различают по характеру действия и характеру изменения
во времени.

По характеру действия внешние силы разделяют на:

- постоянные силы, действующие все время или значи­тельный промежуток времени (сила тяжести конструкций, механизмов, оружия, давления воды на подводную часть корпуса и т. д.);

- случайные силы, действующие на корабль или отдельные его части ограниченное число раз (при постановке кораб­ля в док, спуске его на воду и др.).

По характеру изменения во времени внешние силы или нагруз­ки разделяют на следующие группы:

- неизменные силы — силы, не изменяющие своей величины за все время действия (сила тяжести конструкций, постоянных грузов и пр.);

- статистически переменные силы — силы, величина которых в течение определенного времени изменяется между некоторыми пределами, например, гидростатическое давление воды на борт и днище корабля от действия волн;

- динамически переменные силы с периодом изменения, близким периоду собственных колебаний конструкций (удары волн, нагрузка от вибрации, при стрельбе из орудий) или меньшим его.

При плавании корабля на тихой воде в состоянии равновесия результирующие силы тяжести и силы плавучести взаимно урав­новешены. Однако составляющие этих сил по длине корабля рас­пределены неравномерно, что вызывает его изгиб. Поэтому для оп­ределения внешних сил, действующих на корабль, вычисляют и строят кривые сил тяжести р(х) и сил плавучести q(x) (рис. 1.11). В расчетах используют нагрузку масс корабля и чертежи общего расположения. Допускают, что и пределах теоретической шпации действующие силы имеют постоянное значение. Поэтому кривые получаются ступенчатыми. После алгебраического суммирования этих сил получают кривую нагрузки r(x), действующей на корабль. Величины перерезывающих сил N_тв и изгибающих моментов М_тв на тихой воде в поперечных сечениях корпуса вычисляют по фор­мулам:

В большинстве случаев в средней части корабля наблюдается избыток сил плавучести, а в оконечностях — сил тяжести. Перере­зывающие силы N_тв достигают наибольших абсолютных значений приблизительно на расстоянии четверти длины корпуса от штев­ней, а изгибающие моменты М_тв — в районе миделя. Все это вы­зывает общий продольный изгиб корпуса.

При плавании корабля на волнении нагрузка на его корпус из­меняется во времени, прежде всего, вследствие перераспределения сил плавучести по длине корпуса по сравнению с его положением на тихой воде. Вызванное этим изменение усилий на корпус вы­числяют с помощью статической постановки корабля на волну. Наибольших значений изгибающие моменты М_в и перерезывающие силы N_в достигают на вершине и на подошве волны (рис. 1.12). В первом случае корпус получает перегиб, и верх­няя палуба испытывает растяжение, а днище - сжатие. Во вто­ром - корпус имеет прогиб, палуба сжимается, а днище рас­тягивается.

Рис. 1.11. Кривые сил тяжести р(х); плавучести q(x); нагрузки r(х);

перерезывающих сил N_ТВ (х) и изгибающих моментов М_ТВ (х), действующих на корпус корабля на тихой воде

Рис. 1.12. Распределение нагрузки на корпус на волне:

а — на вершине волны (перегиб); б — на подошве волны (прогиб);

«+» означает возникновение дополнительных напряжений растяжения;

«—» означает возникновение дополнительных напряжений сжатия

В условиях килевой качки при ходе корабля против волны может происходить периодическое оголение носовой оконечности. Ее последующий вход в воду сопровождается ударным нарастанием усилий на носовую часть корпуса (слеминг). Под действием этих ударных усилии корпус корабля получает дополнительный перегиб, вызванный динамическими составляющими перерезывающей силы N_уд и изгибающего момента М_уд. В тех случаях, когда гребень волны не перпендикулярен продольной оси корабля, его корпус­ кроме общего продольного изгиба подвергается скручиванию.

Полная или расчетная величина перерезывающей силы и изгибающего момента в каждом поперечном сечении корпуса определяется как алгебраическая сумма трех составляющих:

По найденным М и N вычисляют возникающие напряжения от про­дольного изгиба. При этом корпус корабля уподобляется некото­рой составной балке, геометрические элементы сечения которой эк­вивалентны элементам сечения реального корпуса. Эта вообра­жаемая балка, называемая эквивалентным брусом (рис. 1.13),

Рис. 1,13. Эквивалентный брус и эпюра нормальных напряжений:

1 -— сечение корпуса; 2 — сечение эквивалентного бруса; δ — нормальное напряжение

имеет площадь поперечного сечения, равную суммарной площа­ди поперечных сечений продольных связей корпуса, участвующих в общем изгибе, а расположение по высоте центров тяжести эле­ментов этой балки соответствует положению центров тяжести про­дольных связей. Эквивалентный брус равноценен расчетному по­перечному сечению корпуса, с точки зрения сопротивления продольному изгибу. Вычисление напряжений в корпусе производят по известным формулам сопротивления материалов. Общая продольная прочность корпуса считается обеспеченной, если, наиболь­шие по величине расчетные напряжения не превосходят допуска­емых. Обеспечение общей продольной прочности обычно приводит к обеспечению общей поперечной прочности. Поэтому поперечную прочность рассчитывают только для конкретных нагрузок. Например, при постановке корабля в док.

Строительная механика, рассматривая местную прочность, корпус корабля разбивает на отдельные конструктивные элементы: перекрытия, шпангоутные рамы, балки, пластины; определяет на­грузки, действующие на каждый такой элемент. Методами стро­ительной механики корабля вычисляют возникающие деформации и напряжения, значения которых в перечисленных элементах корпуса не должны превышать допускаемых величин, установленных практикой кораблестроения.