Прочность кораблей - Strength of ships

В сила кораблей тема, представляющая ключевой интерес для военно-морские архитекторы и судостроители. Корабли построенные слишком прочно, тяжелые, медленные и требуют дополнительных денег для постройки и эксплуатации, поскольку они весят больше, в то время как корабли, построенные слишком слабо, страдают от незначительных повреждений корпуса и, в некоторых крайних случаях, от катастрофического отказа и затопления.

Нагрузки на корпуса судов

В корпуса судов подвергаются ряду нагрузок.

Даже когда он сидит в доке или на якоре, давление окружающей воды, вытесняемой судном, давит на его корпус.
Вес корпуса, а также груза и компонентов внутри корабля давит на корпус.
Ветер дует на корпус, и волны на него набегают.
Когда корабль движется, возникает дополнительное сопротивление корпуса, сила движителей, вода направляется против носа.
Когда судно загружено грузом, его вес может во много раз превышать собственный вес пустого груза, который давит на конструкцию.
При сильном волнении вода, перетекающая или обрушивающаяся на защитную палубу, создает (возможно, огромные) нагрузки на палубу и поперечные нагрузки на надстройку или другие элементы палубы, такие как комингсы и люки.

Если конструкция, оборудование и груз корабля распределены неравномерно, то на конструкцию могут быть большие точечные нагрузки, а если они распределяются иначе, чем распределение плавучести от вытесненной воды, то на корпус действуют изгибающие силы.

Когда корабли ставятся в сухой док, и когда они строятся, они поддерживаются на регулярно расположенных столбах на их днище.

Основные нагрузки на корпус, прочность и изгиб

Схема корпуса судна (1) Провисание и (2) Выкалывание под нагрузкой. Изгиб преувеличен в иллюстративных целях.

Основная сила, нагрузки и изгиб корпуса корабля - это нагрузки, которые действуют на весь корпус, если смотреть спереди назад и сверху вниз. Хотя это может рассматриваться как включающее общие поперечные нагрузки (из стороны в сторону внутри судна), обычно оно применяется только к продольным нагрузкам (от конца до конца). Корпус, рассматриваемый как единое целое. луч, может сгибаться

внизу в центре, известный как провисание
в центре, известный как увлечение.

Это может быть связано с:

корпус, техника и грузовые грузы
волновые нагрузки, в худших случаях:
- провисание из-за волны длиной, равной длине корабля, с пиками на носу и корме и желобом на миделе
- забивание из-за волны длиной, равной длине корабля, и пика на миделе (прямо посередине длины)

Изгибающие нагрузки на основной корпус обычно самые высокие в районе середины судна и обычно очень незначительны на полпути к носу или корме.

При первичных расчетах прочности обычно учитывается среднее сечение корабля. В этих расчетах вся конструкция корабля рассматривается как единая балка с использованием упрощенного Уравнение Эйлера-Бернулли для пучка для расчета прочности балки при продольном изгибе. Момент инерции (технически, второй момент площади ) секции корпуса рассчитывается путем нахождения нейтральной или центральной оси балки и последующего суммирования количества ${ displaystyle I_ {y} = { frac {bh ^ {3}} {12}} + Ad ^ {2}}$ для каждой секции плиты или балки, составляющей корпус, с ${ displaystyle I_ {y}}$ момент инерции этого сечения материала, ${ displaystyle b}$ ширина (размер по горизонтали) секции, ${ displaystyle h}$ высота секции (вертикальный размер), ${ displaystyle A}$ площадь раздела и ${ displaystyle d}$ расстояние по вертикали центра этой секции от нейтральной оси.

Первичный (1), вторичный (2) и третичный (3) структурный анализ корпуса судна. Изображенные внутренние компоненты включают водонепроницаемую переборку (4) на основном и дополнительном уровне, нижнюю конструкцию корпуса судна, включая киль, кильоны и поперечные шпангоуты между двумя переборками (5) на дополнительном уровне, и поперечные шпангоуты (6), продольные ребра жесткости. (7) и обшивка корпуса (8) на третьем уровне.

При расчете первичных прочностных нагрузок обычно суммируются вес корабля и плавучесть вдоль корпуса, разделяя корпус на управляемые продольные секции, такие как один отсек, произвольные десятифутовые сегменты или какое-то подобное управляемое подразделение. Для каждого условия нагрузки вес вытесненной воды или плавучесть рассчитывается для этой секции корпуса на основе вытесненного объема воды внутри этой секции корпуса. Вес корпуса рассчитывается аналогичным образом для этой длины, а также для веса оборудования и систем. Затем к этому разделу добавляется вес груза в зависимости от проверяемых условий загрузки.

Общая изгибающий момент неподвижной воды затем рассчитывается путем интегрирования разницы между плавучестью и общим весом по длине судна.

Для корабля, находящегося в движении, к этому значению добавляется дополнительный изгибающий момент для учета волн, с которыми он может столкнуться. Используются стандартные формулы для высоты и длины волны, которые учитывают размер корабля. Наихудшие возможные волны, как отмечалось выше, такие, где гребень или впадина волны расположены точно на миделе.

Эти общие изгибающие нагрузки, включая изгибающий момент на неподвижной воде и волновые нагрузки, представляют собой силы, которые должна выдерживать общая первичная балка корпуса.

Вторичные нагрузки на корпус, прочность и изгиб

Вторичные нагрузки на корпус, изгиб и прочность - это нагрузки, которые возникают на обшивке корабля (борта, днище, палуба) между основными продольными отсеками или переборки Для этих нагрузок нас интересует, как эта более короткая секция ведет себя как интегрированная балка под действием местных сил вытесненной воды, отталкивающей корпус, груз, вес корпуса и механизмов и т. Д. В отличие от первичных нагрузок вторичные нагрузки рассматриваются как применяется не к простой балке, а к сложной композитной панели, поддерживаемой по бокам.

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. Эти нагрузки затем вызывают деформацию композитной панели, обычно изгиб внутрь между переборками, так как большинство нагрузок являются сжимающими и направлены внутрь. Напряжение в конструкции рассчитывается исходя из нагрузок и изгиба.

Третичные нагрузки на корпус, прочность и изгиб

Третичная прочность и нагрузки - это силы, прочность и реакция на изгиб отдельных секций плиты корпуса между ребрами жесткости, а также поведение отдельных секций ребер жесткости. Обычно третичную нагрузку вычислить проще: для большинства секций существует простая максимальная гидростатическая нагрузка. нагрузка или гидростатическая плюс ударная нагрузка для расчета. плита опирается на эти нагрузки по краям с помощью ребер жесткости и балок. прогиб плиты (или ребра жесткости) и дополнительные напряжения просто рассчитываются на основе этих нагрузок и теории плит и оболочек. .

Элементы конструкции корпуса корабля

Конструктивные элементы корпуса корабля

На этой схеме показаны основные конструктивные элементы основного корпуса корабля (за исключением носа, кормы и рубки).

Обшивка палубы (также известная как Main Deck, Weatherdeck или Strength Deck)
Поперечная переборка
Обшивка внутренней нижней части корпуса
Обшивка днища корпуса
Поперечный каркас (1 из 2)
Килевая рама
Килсон (продольная балка) (1 из 4)
Продольный элемент жесткости (1 из 18)
Боковая балка корпуса

Изображенный корпус представляет собой образец небольшого двойное дно (но нет двойной корпус ) нефтяной танкер.

Общие нагрузки, изгиб и прочность

Общая нагрузка на конкретную секцию корпуса судна представляет собой сумму всех первичных, вторичных и третичных нагрузок, приложенных к ней от всех факторов. Типичный тестовый пример для быстрых вычислений - это середина секции днища корпуса между ребрами жесткости, близко к или в средней части корабля, где-то посередине между килем и бортом корабля.

Стандартные правила

Корабль классификационные общества Такие как Det Norske Veritas, Американское бюро судоходства, и Регистр Ллойда судоходства установили стандартные формы расчета нагрузок на корпус, требований к прочности, толщины обшивки корпуса и усиливающих элементов жесткости, балок и других конструкций. Эти методы часто позволяют быстро оценить требования к прочности для любого конкретного судна. Практически всегда эти методы позволяют дают консервативные или более сильные, чем требуется, значения прочности, однако они предоставляют подробную отправную точку для анализа конструкции данного корабля и определения того, соответствует ли она общепринятым отраслевым стандартам.

Материальный отклик

Современные корабли почти без исключения построены из стали Как правило, это достаточно стандартная сталь с предел текучести приблизительно от 32000 до 36000 фунтов на квадратный дюйм (от 220 до 250 МПа), и предел прочности или же предел прочности при растяжении (UTS) более 50 000 фунтов на квадратный дюйм (340 МПа).

Сегодня кораблестроители используют стали, которые имеют хорошую коррозионную стойкость при воздействии морской воды и не подвергаются коррозии. хрупкий при низких температурах (ниже нуля), поскольку многие суда находятся в море во время холодных штормов зимой, а некоторые старые корабельные стали, которые не были достаточно прочными при низких температурах, вызвали расколоть пополам и тонуть во время Второй мировой войны в Атлантике.

Эталонная марка стали - ABS A, установленная Американское бюро судоходства.Эта сталь имеет предел текучести не менее 34000 фунтов на квадратный дюйм (230 МПа), предел прочности при растяжении от 58000 до 71000 фунтов на квадратный дюйм (от 400 до 490 МПа), должен удлиниться не менее 19% в образце длиной 8 дюймов (200 мм) перед трещиноватость и 22% в образце длиной 2 дюйма (50 мм).

Должен применяться коэффициент запаса прочности, превышающий предел текучести, поскольку сталь, регулярно доводимая до предела текучести, будет страдать от усталость металла.Стали обычно имеют предел усталости, ниже которого любое количество циклов напряженной нагрузки не вызовет усталости металла и трещин / отказов. Критерии проектирования судна обычно предполагают, что все нормальные нагрузки на судно, умноженные на умеренный коэффициент безопасности, должны быть ниже предела усталости для стали, используемой в их Разумно предположить, что судно будет регулярно работать с полной загрузкой, в тяжелую погоду и сильные волны, и что оно будет сталкиваться с максимально 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 факторов) общие коэффициенты безопасности от нормальных максимальных рабочих нагрузок до окончательного разрушения конструкции при растяжении. Но эти большие предельные запасы прочности не являются целью: цель состоит в том, чтобы основные эксплуатационные напряжения и деформации на судне на протяжении всего его предполагаемого срока службы не должны вызывать серьезных усталостных трещин в конструкции. Очень немногие суда когда-либо сталкиваются с условиями предельной нагрузки, близкими к своим пределам общего разрушения. Вероятно, что без учета усталости, требования к прочности корабля будут несколько ниже.

Видеть Сопротивление материалов.

Численное моделирование

Хотя можно разработать довольно точный анализ нагрузки на судно и реакции на него вручную или с использованием минимальной компьютерной помощи, такой как электронные таблицы, современные CAD Компьютерные программы обычно используются сегодня для создания гораздо более подробных и мощных компьютерных моделей конструкции.Анализ методом конечных элементов Инструменты используются для детального измерения поведения при приложении нагрузок. Эти программы могут обрабатывать гораздо более сложные расчеты изгиба и точечной нагрузки, чем инженеры-люди могут сделать за разумные промежутки времени.

Тем не менее, по-прежнему важно иметь возможность вручную рассчитывать приблизительное поведение корпусов кораблей. Инженеры не доверяют результатам компьютерных программ без некоторой общей проверки реальности, что результаты находятся в пределах ожидаемого порядка величины. И предварительное проектирование может быть начато раньше. Имеется достаточно информации о конструкции для компьютерного анализа.^{[нужна цитата ]}

Смотрите также

внешняя ссылка

Комитет по конструкции судна