Важное
Главное в военных СМИ за неделю: перестановки на верфях ОСК, робот-эвакуатор для передовой, закладка танкера проекта 23630
Первый взгляд 
|
Главная / Издания / Литература / Книжная полка / Ю.В. Горянский, П.Г. Авотин. Архитектура корпуса морского судна
КРЕПОСТЬ КОРПУСА СУДНА И РОЛЬ ОТДЕЛЬНЫХ СВЯЗЕЙ В НЕМПогруженная в воду часть корпуса судна испытывает давление со у стороны воды; это давление распространяется на днище и на борта судна, как это показано на рис. 12. Рис. 12. Распределение давления на погруженное судно. Давление на борта судна может быть неодинаковым для обоих бортов; это будет происходить в том случае, когда судно попадает боком к волне (станет лагом к волне), как это показано на рис. 13, причем со стороны волны давление будет больше, с противоположной же стороны— меньше; вследствие этой неравномерности давлений на борта судна последнее будет испытывать перекос своей конструкции, как это видно на том же рисунке.  Рис. 13. Положение судна на волне. Конструкция корпуса судна должна быть такова, чтобы выдержать давление воды на борта и на днище и обеспечить достаточную жесткость против перекоса. Естественно, что простейшим способом, для достижения этого является устройство достаточно жесткой коонструкция и была с давних времен принята в деревянном судостроении и в основном, как мы увидим, сохранилась и в металлическом судостроении. Основные связи деревянного судна показаны на рис. 14.  Рис. 14. Связи у деревянного судна. Поперечные выгнутые ребра, называемые шпангоутами, идут с внутренней стороны оболочки судна по днишу, и поднимаясь к бортам, доходят до палубы. От одного борта к другому шпангоуты схватываются поперечными подпалубными брусьями, называемыми бимсами; жесткость угла, где бимс притыкается к шпангоуту, достигается постановкою солидной кривослойной деревянной штуки, называемой кницей. Указанным состоящая из поперечных связей судна: бимсов и шпангоутов. При этом следует отметить, что шпангоуты в днищевой части, где давление со стороны воды больше, имеют большую толщину. Указанные поперечные связи у деревянного судна ставятся по длине судна на достаточно близких промежутках друг от друга (250—300мм), называемых шпациями. Переходя к остальным, показанным на рисунке 14, связям корпуса судна, отметим прежде всего, что в диаметральной плоскости подпишу ставятся продольные брусья: один—снаружи — киль судна (переходящий в носу — в форштевень, в корме — в ахтерштевень, как об этом говорилось ранее; другой брус ставится здесь же изнутри, поверх шпангоутов и носит название кильсона. Схваченные друг с другом болтами, пропущенными сквозь шпангоут, киль и кильсон дают перевязку всех шпангоутов по диаметральной плоскости. Вверху, под бимсами, в диаметральной плоскости также идет продольный брус, называемый карлингсом. Между кильсоном и карлингсом ставятся вертикальные стойки, носящие название пил-л ер сов. Изнутри судна, поверх шпангоутов, по днищу и бортам ставится внутренняя обшивка, а снаружи шпангоуты обшиваются непроницаемой наружной обшивкой. Доски обеих обшивок кладутся вдоль судна. Поверх бимсов кладется из досок палубный настил. У бортов судна, где бимсы примыкают к шпангоуту, доски палубного настила заменяются брусьями. Таковы в самых основных чертах связи судового деревянного корпуса. В этой конструкции основными связями являются связи, идущие поперек судна (поперечные связи), служащие для придания судовому корпусу поперечной крепости, дающей судну способность выдерживать действие рассмотренной нами вначале силы давления воды. Что же касаетса продольных связей, имеющихся в деревянном судне (киль, кильсон, карлингс и т. д.), то значение таких связей для прочности корпуса вообще заключается в следующем. Плавая на воде, судно с одной стороны несет на себе собственный свой вес и вес находящихся на нем грузов, с другой же стороны получает со стороны воды так называемую силу поддержания, благодаря действию которой судно и держится на поверхности воды. По длине судна веса составляющих его частей распределены неравномерно; точно так же и сила поддержания со стороны воды распределяется не равномерно по всей длине судна, а имеет большую величину в тех участках судна, где его подводная часть дает большее вытеснение воды и, наоборот, меньше там, где меньше воды вытесняется корпусом судна. Вследствие сказанного получается То, что на отдельных участках по длине судна силы веса и силы поддержания не равны друг другу: на одном участке имеется избыток силы веса, на другом — избыток силы поддержания; под влиянием этих избытков сил отдельные участки судна будут стремиться переместиться по отношении друг к другу, подобно тому как это показано на рис. 15. В результате получается картина так называемого изгиба судна по длине, подобного изгибу обыкновенной балки, на которую действуют противоположно направленные и приложенные в разных местах силы. Еще больший изгиб получит судно, если оно попадет в волну. Волна, располагаясь на некотором участке длины судна, сосредоточит на протяжении этого участка и большую силу поддержания. При этом различают два предельных положения волны: первое, когда вершина волны расположится на середине длины судна, т. е. когда наибольшая сила поддержания приходится на середине судна, причем здесь получается значительный избыток силы поддержания над силами веса, тогда как в оконечностях имеет место как раз обратное явление. Судно, находясь в этом случае, как говорят, на вершине волны, стремится провисать своими оконечностями; получается явление изгиба, показанное на рис. 16; при этом изгибе палуба судна растягивается, а днище сжимается.  Рис. 15. Схема распределения действующих сил по длине судна. Обратная картина получается, когда судно окажется на подошве волны, т. е. если на середине длины судна придется впадина между двумя волнами, вершины которых будут находиться у оконечностей судна. В этом случае избыток сил пловучести от волн получится в оконечностях. При этом, под влиянием избытка веса будет стремиться провисать средняя часть судна, как это показано на рис. 17. При таком изгибе судна уже будет растягиваться днище, а палуба — сжиматься. Из сказанного выше становится понятной необходимость обеспечить и продольную крепость судна, так как при отсутствии ее, хотя бы судно и обладало достаточной поперечной крепостью, оно все же могло бы получить опасный надлом посредине. Чем длиннее судно по отношению к его ширине и высоте, а также чем больше и чем неравномернее его загрузка, и чем больше высота волны, тем конечно больший изгиб может получить судно и вместе с ним больше опасность образования повреждения. Деревянные морские суда строились небольшой длины по сравнению с их высотою и шириною (длина в 4—6 раз больше ширины; ширина в 1 — 1 1/2 раза больше высоты), поэтому тех немногих продольных связей, которые у них обычно имелись, оказывалось достаточным для сохранения продольной крепости.  Рис. 16. Положение судна на вершине волны. Перегибь  Рис. 17. Положение судна на подошве волны. Прогиб. Здесь следует указать, что к продольным связям нужно относить также и обшивку судна и настил палуб, которые, располагаясь вдоль судна. Весьма существенным образом дают усиление его продольной крепости. Что же касается металлических судов, длина которых по сравнению с шириною и высотою их более значительна (длина в 7—10 раз больше ширины; ширина в 1 1/2—2 раза больше высоты), то у этих судов роль продольных связей является особенно важною и поэтому в дальнейшем мы увидим, что у современных металлических морких судов продольные связи начинают играть все большую и большую роль; при этом не только количество этих связей, но и характер распределения их по судну получает очень большое значение для крепости судна.  Рис. 18. Изгиб балки. Остановимся предварительно более подробно на самом явлении изгиба судна и на напряжениях, возникающих при этом изгибе в отдельных продольных связях корпуса судна. Для этой цели рассмотрим сначала картину изгиба простой балки (рис. 18), имеющей любое поперечное сечение, например в виде трапеции (рис. 19,а).  Рис. 19. Равновесие пластинки (площади) При изгибе балки верхняя часть ее будет растягиваться, нижняя же часть — сжиматься; между этими частями должна существовать граница — плоскость, называемая нейтральной плоскостью, где не будет существовать ни растяжения, ни сжатия, т. е. в которой не возникает никаких напряжений; по мере же удаления от этой плоскости напряжения в части балки будут возрастать и, чем дальше какое-нибудь место в балке будет отстоять от нейтральной плоскости, тем большие в нем будут иметься напряжения. Наибольшей величины достигнут напряжения очевидно в верхней и в нижней плоскостях (гранях) балки. Строительная механика указывает, как найти в балке положение нейтральной плоскости, разделяющей балку на растягиваемую и на снимаемую части; она указывает, что нейтральная плоскость должна проходить через центр тяжести поперечного сечения балки и должна составлять прямой угол с плоскостью изгиба. Нейтральная плоскость пересечет площадь поперечного сечения балки по линии, называемой нейтральной осью, которая, проходя через центр тяжести сечения, является осью равновесия, по которой мы можем разбить поперечное сечение балки на две части, — одну растягиваемую, другую — сжимаемую. Способ нахождения нейтральной оси сечения понятен из рис. 19, б. Очевидно, что и в судне, поскольку мы его представляем себе как балку, изгибаемую по длине, тоже можно найти нейтральную плоскость (но, конечно, посредством довольно сложных вычислений). Все продольные связи судна, расположенные по одну сторону от этой плоскости, будут растянуты, все же связи, расположенные по другую сторону от нее, будут сжаты; при этом связи, наиболее удаленные от нейтральной плоскости, т. е. связи у днища или у самой верхней палубы, будут иметь наибольшие сжимающие или растягивающие напряжения, продольные же связи судна, расположенные вблизи нейтральной оси, будут испытывать совсем малые напряжения. Если бы в рассмотренной нами балке нейтральная плоскость проходила как раз на середине ее высоты, то напряжение в самых верхних и нижних волокнах, как равноудаленных от нейтральной плоскости, были бы одинаковы. Однако в нашей балке, вследствие ее трапециевидной формы, очевидно нейтральная ось будет расположена ближе к низу балки и следовательно при изгибе балки верх ее, будучи более удален от нейтральной плоскости, будет испытывать и большие напряжения. Предположим теперь, что мы желаем усилить крепость нашей балки, сделав ее выше, т. е. прибавив к ней, допустим, снизу дополнительный слой, который в сечении изобразится в виде заштрихованной площадки (рис. 19,в). Естественно, что сама балка от этого станет крепче. Однако посмотрим, что получится при этом с верхней частью балки: очевидно, вследствие прибавки внизу дополнительной площади в поперечном сечении балки нейтральная ось (ось равновесия сечения) должна будет переместиться также книзу. В результате верхние волокна балки окажутся более удаленными от нейтральной плоскости балки, чем они были раньше. Следствием этого может оказаться, что при возросшей крепости балки напряжения в верхних волокнах ее при тех же изгибающих силах и следовательно при меньшем прогибе балки (крепость ее возросла) уменьшатся очень незначительно или даже останутся без изменения. Совершенно иная картина получилась бы, если бы мы придали крепость балке путем прибавления того же слоя, но к верхней ее части. В этом случае мы, увеличивая крепость балки, одновременно приближаем нейтральную плоскость к верхней части балки, от которой она была ранее удалена. Верхние и нижние крайние волокна балки оказываются более или менее одинаково удаленными от нейтральной плоскости, напряжения в них станут близкими друг другу и значительно меньшими, чем те, которые были в верхней части балки до изменения ее сечения. На подобное обстоятельство следует обращать внимание в корпусе металлического судна при рассмотрении его продольных связей, дающих судну продольную крепость.(1). Следует стремиться к тому, чтобы нейтральная плоскость в корпусе судна проходила по возможности ближе у середины высоты его; тогда и верхняя палуба и днище при изгибе судна на волне будут напряжены одинаково. Однако обычно, как мы увидим далее, днище судна приходится делать с более солидными связями, чем палубу, поэтому в действительности нейтральная плоскость у судна проходит несколько ближе к днищу, чем к палубе. .Но чрезмерное приближение нейтральной плоскости к днищу может повлечь образование чрезмерных напряжений в палубе. Ко всем продольным связям судна должно быть предъявлено одно общее требование, а именно: всякая продольная связь должна итти непрерывною по крайней мере в средней половине длины судна; только при этом условии она и будет осуществлять свое назначение. Обратимся теперь к роли поперечных связей в корпусе металлического судна. Здесь будет уместно отметить одно важное, существенно отличающее металлическое судно от деревянного обстоятельство, в отношении участия наружной обшивки в поперечной крепости корпуса. Как мы говорили, поперечная крепость судна создается поперечными рамками, состоящими из шпангоутов и бимсов; к этой же рамке крепится снаружи обшивка судна, для которой рамки являются остовом (скелетом). У металлического судна все связи, в том числе и поперечные, составляются из металлических балок; к этим балкам крепятся металлические же листы обшивки. Как мы увидим в следующей главе, это присоединение листов к балкам производится настолько прочно, что при таком соединении, в особенности в отношении поперечных связей, получается существенное отличие от деревянных судов. А именно, в деревянном судне мы могли считать наружную обшивку продольною связью судна, но эта обшивка не могла считаться связью в поперечном направлении, так как отдельные доски не имеют жесткого соединения друг с другом (уплотнение между ними достигается только конопаткой). При изгибе балки, показанной на рис. 20, доски будут просто расходиться, не препятствуя изгибу самой балки. Обратная картина получается у металлической конструкции (тот же рисунок). Листы настолько основательно соединяются друг с другом и с самою балкою, что, когда сгибается сама балка, то вместе с нею работает и лист, воспринимая вместе с балкою изгибающие усилия и тем самым увеличивая крепость балки. Необходимо иметь при этом в виду, что в работе балки большее участие будет принимать та часть листа, которая примыкает непосредственно к балке, по мере же удаления участков листа от балки они будут работать вместе с балкою все меньше и меньше. Поэтому принято считать, что если к балке присоединен лист, то у этого листа вместе с балкою работает так называемый поясок листа, примыкающий к балке (такая металлическая балка корытного сечения с прилегающим к ней пояском показана на рис. 20 в боковом виде и в разрезе).  Рис. 20. Схема изгиба деревянной и стальной балок с пояском. Какую ширину листа в качестве пояска следует принимать в расчет, остается пока спорным, но приближенно можно для размера ширины пояска листа, работающего вместе с балкою, брать величину, равную сорока толщинам листа; еще более приближенно принимают в обычных металлических судовых конструкциях этот поясок равным 600 мм. Таким образом мы можем констатировать, согласно сказанному, в отношении металлического судна, что у него, во-первых, обшивка (а равно—настил второго дна и палуб) служит, вообще говоря, не только для продольной, но и для поперечной крепости судна и, во-вторых, что если в судовой конструкции мы имеем связь, представляющую собою балку, склепанную с листом, то этот лист участвует в крепости судна вместе с прилегающей к нему балкой. Все связи корпуса современного металлического судна делаются из стальных балок, так называемого профильного или фасонного сечения. Наиболее употребительные профиля, применяемые в металлическом судостроении, показаны на рис. 21. Существует и ряд других типов профилей стали, но применение их в современном корпусе металлического судна очень редко и поэтому внимание на них останавливать не приходится.  Рис. 20. Схема изгиба деревянной и стальной балок с пояском. Что касается изображенных профилей, то показанные во втором ряду профиля являются чисто судостроительными профилями (у нас они еще не изготовляются) — это профиля: углобульбовый, бульбовый и низкий тавровый. Профиля, изображенные в первом ряду, т. е. угловой неравнобокий, угловой разнобокий и корытный (иначе коробчатый или швеллерный) применяются вообще в металлическом строительстве и в то же время находят широкое, а у нас преимущественное, применение в судостроении. Нижний ряд судостроительных профилей находит себе в корпусе судна специальное применение — это профиля: люковый, планширный—релинговый и обделочный — полукруглый буртик, с которыми мы встретимся при рассмотрении соответствующих конструкций. Размеры профилей регламентируются так называемым сортаментом профильной стали. У нас введен обязательный стандартный сортамент ОСТа. Этот стандарт для каждого профиля дает ряд определенных размеров их, по которым на металлургических заводах и изготовляются данные профиля. Так например для угловой стали задаются ширины и толщины полок (обе полки имеют всегда равную толщину), которые и указываются на чертеже, например — 75 X 50 X 8, что означает неравнобокую угловую сталь с ширинами полок 75 и 50 мм и толщиной 8 мм. Угловые профиля даются сортаментом различных ширин полок (не чаще чем через 5—10 мм) и различных толщин их (через 2 мм). Швеллерные профиля различаются по своим номерам, которые и указываются на чертежах, причем в этом случае номер соответствует высоте балки в сантиметрах; например № 20 означает, что швеллерный профиль имеет высоту 20 см. Этому номеру соответствуют все остальные размеры профиля (ширина и толщина полки, толщина стенки).(2) Швеллерные профиля даются сортаментом различных высот (через 20 мм). Подобным же образом сортаментом регламентируются и другие профиля. Что касается листового материала, употребляемого для постройки корпуса морского судна, то в качестве его берутся прокатные стальные листы различной толщины, ширины и длины. Качество листовой стали берется такое же, как и профильной. Перечисленная выше сталь изготовляется на металлургических заводах путем прокатки ее в горячем виде из стальных болванок. Так как корпус судна должен обладать соответствующей крепостью, то для постройки его принято брать так называемую качественную сталь, т. е. сталь, имеющую вполне определенные механические качества,(3) а именно: для судостроения принято брать такую сталь, у которой каждый квадратный миллиметр сечения листа или балки выдерживает не менее 41 кг растягивающей нагрузки. Например угловой профиль для корпуса судна, имеющий размеры 75 X 50 X 8, будет иметь площадь сечения 943 кв. мм и будет выдерживать не менее 38 700 кг или 38,7 т на растяжение. При этом надо еще указать, что в связи с теми операциями, которые приходится производить над судостроительной сталью во время постройки судна (гибка, высадка, малковка и т. п.), а также в связи с дальнейшею работою судна, как пловучего сооружения, материал, из которого оно построено, должен обладать достаточной эластичностью. Поэтому судостроительная сталь для корпуса судна берется лишь такая, которая при испытании ее на разрыв дает удлинение не менее 18% от первоначальной длины. (1) Наружная обшивка судна, настил его второго дна и настал палуб являются главными продольными связями судна. (2) У швеллерного профиля обе полки имеют равную толщину и ширину; толщина стенки всегда меньше толщины полки. (3) Иначе за счет низкой крепости материала пришлось бы брать профиля для связей больших размеров исследовательно более тяжелые. Вперед Оглавление Назад
|
