Одесская национальная морская академия Кафедра теории и устройства судна

Информация о документе:

Дата добавления: 24/04/2016 в 00:58
Количество просмотров: 441
Добавил(а): Глеб Журавок
Название файла: odesskaya_nacionalnaya_morskaya_akademiya_kafedra_.doc
Размер файла: 1971 кб
Рейтинг: 0, всего 0 оценок

Одесская национальная морская академия Кафедра теории и устройства судна



МИНИСТЕРСВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

Одесская национальная морская академия


Кафедра теории и устройства судна






















КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ ПО ТУС ДЛЯ КУРСАНТОВ ІІІКУРСА СУДОВОДИТЕЛЬСКОЙ СПЕЦИАЛЬНОСТИ



В методическом пособии изложены основные вопросы, которые рассматриваются на лекциях. Остальные вопросы должны быть изучены курсантами по рекомендованным учебникам.


Рассмотрено и одобрено на заседании кафедры ТУС, протокол № от 2005г.

















ОДЕССА 2005 г.








  1. Главные плоскости и главные сечения судна.

Главными плоскостями являются (рис.1):

- диаметральная плоскость (ДП) – продольная вертикальная плоскость, проходящая по середине ширины судна;

-плоскость мидель-шпангоута () – вертикальная поперечная перпендикулярная ДП и проходящая по середине длины судна;

-основная плоскость – горизонтальная плоскость, проходящая по верхней кромке горизонтального киля, перпендикулярная ДП и пл. , и параллельная поверхности воды (если судно не имеет крена и дифферента);

-

Рис.2. Основные сечения корпуса.

плоскость ватерлинии – плоскость совпадающая с поверхностью воды (рис.2). Сечение диаметральной плоскостью дает представление о форме форштевня, ахтерштевня, палубной и килевой линии. Подъём палубы к носу и корме называется седловатостью и выполняется с целью уменьшения попадания волны при встречном и попутном волнении

Сечение плоскостью мидель–шпангоута (рис. 2, справа) дает представление о погиби палубы, килеватости днища, форме скулы, наклоне бортов (развал, прямой борт, завал борта). Подъём палубы от бортов к ДП называется погибью и выполняется с целью улучшения стока воды к бортам и удаления её за борт.

Сечение плоскостью ватерлинии дает представление о форме ватерлинии. Но все же полное представление о форме судна дает теоретический чертеж.



2. Главные размерения судна.

Главными размерениями судна являются длина, ширина, осадка и высота борта (рис.3).

Длина судна „L”.

Р

азличают: - длину по конструктивной ватерлинии „LКВЛ” – расстояние, измеренное в плоскости КВЛ между точками пересечения её носовой и кормовой частей с ДП. Аналогично определяют для любой расчетной ватерлинии длину по ватерлинии;

длину между перпендикулярами „LПП” – расстояние, измеренное в плоскости КВЛ между носовым и кормовым перпендикулярами.

Носовой перпендикуляр (НП) – это линия пересечения ДП с вертикальной поперечной плоскостью, проходящей через крайнюю носовую точку КВЛ, а кормовой перпендикуляр (КП) – линия пересечения ДП с вертикальной поперечной плоскостью, проходящей через ось вращения руля.

-

Рис.3. Главные размерения

Длина наибольшая „LНБ” – расстояние, измеренное в горизонтальной плоскости между крайними точками носовой и кормовой оконечностей корпуса (без выступающих частей).

- Длина габаритная „LГБ” – расстояние, измеренное в горизонтальной плоскости между крайними точками носовой и кормовой оконечностей корпуса с учетом постоянно выступающих частей.

Ширина судна В.

Различают:

- ширину по КВЛ – „ВКВЛ’’ – расстояние, измеренное в наиболее широкой части судна на уровне КВЛ в точках пересечения её с внутренней поверхностью обшивки корпуса; аналогично определяют для любой расчетной ватерлинии ширину по ватерлинии;

- ширину на мидель-шпангоуте (теоретическую) - „В“- расстояние, измеренное на мидель-шпангоуте перпендикулярно к ДП на уровне КВЛ или расчетной ВЛ между внутренними поверхностями обшивки корпуса;

- ширину наибольшую „ВНБ“ – расстояние, измеренное в наиболее широкой части судна, перпендикулярно к ДП между крайними точками корпуса без учета обшивки, привальных брусьев и других, постоянно выступающих, частей;

- ширину габаритную „ВГБ“ – расстояние, измеренное в наиболее широкой части, перпендикулярно к ДП между крайними точками корпуса с учетом любых выступающих частей.

Осадка судна (теоретическая) „Т“ – вертикальное расстояние, измеренное в плоскости мидель-шпангоута от основной плоскости до плоскости КВЛ или расчетной ВЛ.

Осадка судна практическая “Тп” – вертикальное расстояние ,измеренное в плоскости мидель-шпангоута от нижней кромки киля до плоскости ВЛ.

Высота борта судна „Н“ – вертикальное расстояние, измеренное на мидель-шпангоуте у борта от верхней кромки горизонтального киля до верхней кромки бимса палубы надводного борта. (Палубой надводного борта называют самую верхнюю непрерывную палубу, имеющую постоянные средства закрытия всех отверстий на открытых её частях и постоянные средства закрытия отверстий в бортах судна ниже этой палубы).


Высота надводного борта „F“ – это разность между высотой борта и осадкой F= HT.

3. Характеристики формы судна.

Форму подводной части корпуса судна характеризуют коэффициенты полноты.

Коэффициент полноты ГВЛ - отношение площади грузовой ватерлинии к площади описанного прямоугольника:

, (1)

где S– площадь ватерлинии

Коэффициент полноты мидель-шпангоута β– отношение погруженной площади мидель-шпангоута Ак площади описанного прямоугольника:

β =. (2)

Коэффициент общей полноты δ – отношение объема подводной части судна V к объему описанного параллелепипеда:

δ =. (3)

Коэффициент вертикальной полноты χ – отношение объема подводной части судна к объему цилиндра, площадь основания которого равна площади ватерлинии (S), а высота – осадке судна (Т):

. (4)

Коэффициент продольной полноты φ – отношение объема подводной части судна к объему цилиндра, площадь основания которого равна площади мидель-шпангоута (), а высота – длине судна (L):

. (5)

4. Теоретический чертёж

Форму судна наиболее полно определяет теоретический чертёж судна – совокупность проекций сечений поверхности судна на три главные взаимно перпендикулярные плоскости судна (рис.4).

В качестве главных плоскостей проекций теоретического чертежа принимают: диаметральную плоскость, основную плоскость и плоскость мидель-шпангоута.

Линии пересечения судовой поверхности плоскостями, параллельными диаметральной плоскости, называются батоксами. Линии пересечения поверхности судна плоскостями, параллельными основной плоскости, называются ватерлиниями, а линии пересечения поверхности судна плоскостями, параллельными плоскости мидель-шпангоута, – теоретическими шпангоутами.

Проекция всех этих линий на диаметральную (вертикальную) плоскость называется - «БОК». Батоксы на этой проекции изображаются без искажений, а ватерлинии и шпангоуты видны в виде прямых линий. Проекция линий пересечения на горизонтальную (основную) плоскость называется «ПОЛУШИРОТОЙ». Ватерлинии на этой проекции изображаются без искажений, а батоксы и шпангоуты в виде прямых линий. Так как ватерлинии симметричны (при симметричной форме судна), то они на полушироте изображаются только по одну сторону от ДП. На полушироте также изображается линия пересечения палубы и борта. Проекция всех линий пересечения на плоскость мидель-шпангоута называется “КОРПУС” (профильная проекция). На корпусе с правой стороны от ДП изображают проекцию носовых шпангоутов, а с левой стороны – кормовых. Проекции ватерлиний и батоксов изображаются в виде прямых линий.

Т

еоретический чертёж необходим для расчётов мореходных качеств – плавучести, остойчивости, непотопляемости, постройки корпуса судна, а также в эксплуатации – для определения размеров помещений и расстояний до отверстий в корпусе судна.











Рис.4.Теоретический чертёж.

5.Посадка судна; параметрыопределяющие посадку.

Посадкой называется положение судна относительно поверхности воды. Судно, как твердое тело, имеет 3 степени свободы относительно поверхности (плоскости) воды. Поэтому посадку судна должны определять 3 параметра. Обычно используются следующие варианты параметров:

а) осадка носом: (Тн), осадка кормой (Тк) и угол крена ()

(осадка носом – заглубление носа, осадка кормой – заглубление кормы, угол крена– угол наклонения судна в поперечной плоскости);

б) осадка на миделе (Тм), угол крена (), угол дифферента ()

или дифферент (d= Тн- Тк).Угол дифферента – угол наклонения судна в продольной плоскости - d/L/ (6)
















Рис.5. Марки углубления.


Дифферент на нос и крен на правый борт считают положительными. Варианты посадки судна:

а) судно с креном и дифферентом;

б) судно сидит прямо и на ровный киль (= 0,= d = 0);

в) судно сидит прямо, но с дифферентом (=0);


г) судно сидит на ровный киль, но с креном (= d = 0).

Осадки судна определяют по маркам осадок, которые наносят на правом и левом бортах судна в носу, корме и на миделе, как можно ближе к перпендикулярам и миделю судна соответственно (рис.5.).


6.Условия равновесия плавающего судна. Силы действующие на судно.

На свободно плавающее на спокойной воде судно действуют две системы сил: силы тяжести и силы гидростатического давления воды. Каждая из этих систем сил приводится к вертикальной равнодействующей, эти равнодействующие всегда противоположно направлены. Равнодействующая сил тяжести называется силой тяжести судна и обозначается Р. Точка приложения этой равдействующей – центр тяжести G(xg,yg,zg). (рис.6).











Рис. 6. Условие равновесия судна

Рис. 6. Условие равновесия.





Равнодействующая сил гидростатического давления воды (Архимедова сила) называется силой поддержания или силой плавучести и обозначается – Q.Точка приложения силы поддержания совпадает с центром тяжести вытесненной воды (центром объёма) и называется центром величины C(xc,yc,zc).

Таким образом, действующие на судно силы приводятся к двум силам (равнодействующим). Из теоретической механики известно, что равновесие в этом случае возможно только тогда, когда :

- эти силы равны по модулю (P=Q) (?);

- противоположны по направлению;

  • действуют вдоль одной кривой.

Если судно находится в равновесии, то эти условия выполняются.

Согласно закону Архимеда сила плавучести по модулю равна силе тяжести воды, вытесненной погруженной частью судна:

P=Q=g*D=g**V (8).

D – масса вытесненой судном воды (массовое водоизмещение);

V – объём подводной части судна (объёмное водоизмещение);

- массовая плотность воды;

g – гравитационное ускорение.

Тогда условие – 1 – можно записать в виде:

P=g*D или P/ g= D (9).

То есть масса судна (P/ g=М) равна массе вытесненной судном (массовому водоизмещению) воды, если судно находится в равновесии.

Условие – 2 – всегда выполняется, так как сила тяжести и поддержания всегда противоположно направлены.

Если судно находится в равновесии, то сила тяжести и поддержания действуют вдоль одной прямой. Поэтому, если судно сидит прямо и на ровный киль, то xg= xc и ,yg= yc. А при дифференте (но без крена) cоотношение между координатами центра тяжести и центра величины (удовлетворяющее условию – 3 - ) может быть определено из рассмотрения треугольника ACG (рис.6)

tg (10),

или:

xc=xg-(zc-zg)*tg (11).

Таким образом, при равновесии судна с дифферентом соотношение между координатами центра тяжести и центра величины должно удовлетворять уравнению (11).


7.Массовые и объёмные характеристики судна.

Массовое (объемное) водоизмещение – это масса (объем) вытесненной судном воды. Следует помнить, что масса вытесненной воды (массовое водоизмещение) равно массе судна. Поэтому, обычно, и массу судна называют массовым водоизмещением.

Различают водоизмещение в грузу (при осадке по грузовую марку) и водоизмещение порожнем – массу судна, полностью готового к эксплуатации без запасов, груза и экипажа.

Дедвейт – это то количество груза и запасов , которые может взять судно при осадке по грузовую марку.

Грузоподъемность – количество тонн груза, которое может принять судно в данном рейсе.

Грузовместимость – объем грузовых помещений судна. Различают грузовместимость киповую – полезный объем (в м3) грузовых помещений для штучных грузов и грузовместимость зерновую – объем (м3) для сыпучих грузов, которые могут разместиться в грузовых помещениях. Конечно, зерновая вместимость больше, чем киповая, так как сыпучий груз может занять те объемы, которые не доступны для штучного груза (между шпангоутами, стойками, выгородками…).

Международная конвенция по обмеру судов 1969 года установила новые правила обмера судов. Долгое время эта Конвенция не входила в силу, так как необходимое число стран с необходимым общим валовым объёмом судов не присоединялись к Конвенции, но в настоящее время эта Конвенция действует. В соответствие с этой конвенцией, валовая вместимость(GT) означает величину наибольшего объёма закрытых помещений судна, которые определены в соответствие с правилами Конвенции; а чистая вместимость (NT) соответствует величине полезных объёмов и числу пассажирских мест (то, что даёт доход) и определяется в соответствие с положениями Конвенции. В зависимости от величины вместимости с судна взимаются различные сборы (причальные, рейдовые, буксирные, лоцманские и т.)

8.Грузовая шкала. Поправки.

В эксплуатации судна часто возникает необходимость определения осадки судна, если известна масса судна (массовое водоизмещение), или необходимо определить массовое водоизмещение (массу) судна, если известна осадка судна.

Эти задачи можно решать с помощью кривых элементов теоретического чертежа (гидростатических кривых) (рис. 7) или грузовой шкалы (рис.8).

Эти документы разработаны для положения судна на ровный киль без крена и прогиба. В реальных условиях судно почти всегда имеет дифферент и изгиб, поэтому необходимо вводить соответствующие поправки.

На кривых элементов теоретического чертежа изображена зависимость водоизмещения судна от осадки и другие характеристики подводной части судна. Следовательно, зная осадку можно определить водоизмещение или, зная водоизмещение, определить осадку (рис.7).Следует отметить, что в практических расчётах необходимо использовать кривые с учётом выступающих частей.

Сантиметры
























Водоизмещение


Рис.7 Кривые элементов теоретического чертежа.



При использовании грузовой шкалы (рис.8) для определения водоизмещения следует отложить осадку по шкале осадок, через эту точку провести горизонталь до пересечения с вертикалью проведенной через фактическую плотность. Точка пересечения этих линий определяет водоизмещение по шкале. Если необходимо определить осадку по водоизмещению, то следует действовать в обратном порядке.

Если фактическая плотность забортной воды не совпадает с расчётной плотностью кривых элементов теоретического чертежа или грузовой шкалы (при старой форме), то следует вводить поправку на плотность:

Dпл=D0, (12),

где: D0 - водоизмещение по чертежу (шкале),

- истинная плотность забортной воды,

- плотность принятая при расчёте гидростатических кривых или грузовой шкалы.

Поправка для учёта изгиба судна (поправка на изгиб).

Dизг=0,74*q*f; f=(Tмср-(lн-lк)*d/2/L)*100 (13)

где: q– число тонн на 1 см осадки,

f – прогиб в см,

Tм– осадка на миделе,

Tср=(Tн-Tк)/2,

d дифферент,

lн– расстояние носовых марок осадок до носового перпендикуляра,

lк– расстояние кормовых марок осадок до кормового перпендикуляра.

Поправка на дифферент судна:

Dдиф=100*q(xf+0,5* M/q)*d/L (14),

где: xf - абсцисса центра тяжести площади ватерлинии (с кривых элементов теоретического чертежа – по осадке),

M=M(Tн)-M(Tк) - разность моментов дифферентующих на один сантиметр при осадках Tн иTк.

Т


ак как марки осадок в носу и корме обычно не совпадают с носовым и кормовым перпендикулярами, что приводит к погрешности в определении средней осадки, вводится поправка на обводы носовой кормовой оконечности:



Dобв=50*q*(lн-lк)*d/L (15).

Рис. 8 Грузовая шкала




9.Диаграмма осадок носом и кормой.
































Рис. 9. Диаграмма осадок носом и кормой




Для оперативной оценки посадки судна по рассчитанному водоизмещению Dи его статическому моменту относительно плоскости миделя Mx=mi*xi=D*xgиспользуется диаграмма осадок носом и кормой (рис.9). Диаграмма построена в прямоугольных координатах с осями Dи Mx. Каждой точке диаграммы соответствут определенное состояние загрузки судна(Dи Mx), характеризуемое осадкой кормы (Tк) и носа (Tн). Через точки с одинаковыми значениями осадок носа проведено семейство кривых Тн=const через заданный интервал. Аналогично построено семейство кривых Ткорм=const.Через точки для которых Тн= Ткпроведена кривая нулевого дифферента.

Для определения параметров посадки судна на координатных осях откладывают Dи Mx,,рассчитаные по таблице нагрузки судна, через полученные точки проводят прямые, параллельные соответствующим осям. Точка пересечения этих прямых соответствует рассматриваемой нагрузке судна. Оценивая положение этой точки относительно ближайших кривых постоянных осадок носом и кормой, определяем осадку носом и кормой судна. Диаграмма обычно построена для плотности забортной воды 1,025т/м3. Если фактическая плотность забортной воды и отличается от плотности, для которой построена диаграмма д, то рекомендуется входить в диаграмму с Dд=D*д/и и Mxд=Mx*д/и

С помощью диаграммы можно определить D, Mx(xg=Mx/D), если известны Тни Тк ( обратная задача).

10.Запас плавучести. Надводный борт. Грузовая марка.

Запасом плавучести называется объём водонепроницаемой прочной части корпуса судна, расположенной выше самой высокой ватерлинии. Зависимость безопасности судна от запаса плавучести мореплаватели понимали ещё в ХІІІвеке. Так в Венеции и Генуе были разработаны правила нанесения на бортах судна марок (полос), которые не допускалось затоплять при погрузке судна. В следующие века это направление обеспечения безопасности судна было забыто под давлением судовладельцев, которые пытались добиться увеличения прибыли за счёт перегрузки судов.

Первая Международная конвенция о грузовой марке была принята в 1930г. В настоящее время действует Международная конвенция о грузовой марке 1966 года.

В соответствие с Конвенцией грузовая марка устанавливается на бортах судна и определяет минимально допустимую величину надводного борта и, следовательно, минимально допустимый запас плавучести.

З

Рис. 10.Знак грузовой марки и линии палубы.

наки грузовой марки (рис.10) наносятся на обоих бортах судна на миделе. Диск с горизонтальной полосой называется диском Плимсоля,. Над горизонтальной полосой у краёв наносятся символы того классификационного общества, под наблюдением которого находится судно (Р – С – Регистр судоходства, LR– Ллойд регистр, BV– Бюро веритас …). В средних условиях плавания допускается загружать судно по верхнюю кромку горизонтальной полосы диска. Для того, чтобы можно было учесть конкретные условия плавания, в нос от диска наносят «гребёнку» – вертикальную полосу с отходящими от неё горизонтальными полосами

- марками допустимых осадок в различных условиях плавания. Так как в зимних условиях плавания более вероятны штормовые условия плавания, то необходимо увеличение надводного борта (запаса плавучести) и уменьшение допустимой осадки, как это требует зимняя марка (З). Особо тяжелы условия для плавания сравнительно небольших судов зимой в северной Атлантике, поэтому для судов, длиной менее 100м, вводится зимняя Североатлантическая марка (ЗСА). В тропиках наиболее благоприятны условия плавания, поэтому для плавания в этих районах вводится тропическая марка (Т). При переходе судна в пресную воду его осадка увеличивается и уменьшается запас плавучести. Но такое уменьшение запаса плавучести можно допустить, так как пресная вода может быть только в районе устья рек и вблизи берега, где обычно имеются спасательные службы (П, ТП). При перевозке судном лесных грузов, лес создаёт дополнительный запас плавучести, что позволяет увеличить допускаемую осадку для всех районов плавания. В этом случае допускается загрузка судна по лесные марки в соответствии с лесной «гребёнкой», которую располагают в корму от диска Плимсоля. К символам сезонных марок впереди добавляется буква «Л».

11. Понятие об остойчивости. Виды остойчивости судна.

Остойчивостью называется способность судна сопротивляться воздействию внешнего кренящего момента и возвращаться в исходное положение равновесия после прекращения действия момента, вызвавшего наклонение.

Понятие остойчивости связывается с действием на судно только моментов (пар сил) и, следовательно, равнообъемныминаклонениями– наклонениями, при которых не меняется объем подводной части судна.

Если кренящий момент, приложенный к судну, возрастает постепенно и не вызывает угловых ускорений и, следовательно, и сил инерции, то при рассмотрении равновесия судна можно пользоваться условиями статического равновесия. Остойчивость при таких наклонениях называется статической.

В динамической остойчивости рассматривается мгновенное приложение кренящего момента с учётом возникающих инерционных сил.

В зависимости от того, какие наклонения рассматриваются, различают поперечную и продольную остойчивость.

В зависимости от величины угла крена поперечную остойчивость разделяют на остойчивость при малых углах наклонения (<10°)или начальную остойчивость, и остойчивость на больших углах крена.

12.Остойчивое и неостойчивое судно. Восстанавливающий момент.

При наклонении судна изменяется положение центра подводного объема судна (центра величины наклоненного судна) – С1, следовательно, равнодействующая сил поддержания будет приложена в точке С1(рис.11 и 12). Если равнодействующие сил тяжести (Р) и поддержания (Q) образуют момент, стремящийся увеличить угол крена судна (рис.11) – то судно не остойчиво.

Е

4.3

4.4

Рис.11.

Неостойчивое судно

а в

Рис.12.

Остойчивое судно.



сли возникает момент Mв, стремящийся вернуть судно в исходное прямое положение, то судно остойчиво (рис.12).

Момент Mвназывается восстанавливающим моментом и равен одной из сил пары на плечо:

, (16)

где Q=D·g;

D- массовое водоизмещение.

С целью упрощения и совмещения рисунков в теории корабля обычно изображают судно в прямом положении, а ватерлинию, соответствующую наклонному положению судна (В1Л1), наклонной (рис.12.б). Очевидно Рис.12и 12.бэквиваленты, только следует помнить, что линии действия сил тяжести (Р) и поддержания (Q) перпендикулярны действующей ватерлинии (как для прямой, так и для наклонной).


13 Теорема Эйлера. Изменение осадок носом и кормой при изменении дифферента.

При действии на судно пары сил (момента) вертикальное равновесие не нарушается и наклонение судна происходит без изменения водоизмещения (равнообъёмное наклонение).

Теорема. Ось бесконечно малого равнообъёмного наклонения плавающего тела лежит

в плоскости ватерлинии и проходит через центр тяжести её площади.

При доказательстве этой теоремы определяется положение оси равнообъёмного наклонения (при котором не изменяется объём подводной части судна). Легко показать, что эта ось проходит через центр тяжести площади ватерлинии (см. рекомендованную литературу).










Рис. 13. Изменение осадки носом и кормой при дифференте.



Если известно изменение дифферента d, то изменение угла дифферента (рис.13) d/L. Так как ось равнообъёмного наклонения проходит через центр тяжести площади ВЛ (F), то изменение осадки носом Тн=L/2-xf) и изменение осадки кормой Тк= L/2+xf), что следует из рассмотрения соответствующих прямоугольных треугольников.

14.Начальная остойчивость. Метацентр. Метацентрический радиус.

В начальной остойчивости рассматриваются малые наклонения судна (<100). Поэтому невелико перемещение центра величины с точкиС0для прямой ватерлинии в точку С1при наклонной ватерлинии (рис.14). Анализ показывает, что траекторию перемещения центра величины судна при малых наклонениях, можно считать дугой окружности.








Рис.14. Перемещение центра величины












Радиус кривизны траектории центра величины называется метацентрическим радиусом ( в зависимости от наклонения судна – поперечным или продольным). Можно показать, что поперечный метацентрический радиус – r=Ix/V,где Ix– момент инерции площади ватерлинии относительно оси OX, V– объёмное водоизмещение судна по рассматриваемую ватерлинию (см. литературу). Продольный метацентрический радиус – R=If /V, где If- момент инерцииплощади ватерлинии относительно поперечной оси, проходящей через центр тяжести площади ватерлинии. Очевидно, что R>>r, так как If>>Ix.


При наклонениях судна центр величины описывает траекторию. Центр кривизны траектории центра величины называется метацентром (поперечным –m- или продольнымM- в зависимости от наклонения).

15. Метацентрическая высота и её расчёт

При наклонной ватерлинии В1Л1равнодействующая сил тяжести –Р- и равнодействующая сил поддержания –Q- образуют пару сил с плечом –l- (рис.15). Величина плеча –l- зависит от возвышения метацентра –m-над центром тяжести –G- .

Возвышение метацентра над центром тяжести называется метацентрической высотой (поперечной или продольной в зависимости от поперечного или продольного наклонения).












Рис.15.К расчёту плеча l.

Рис.16. Расчёт метацентрических высот.




Как видно из треугольника GmA(рис.15), катет GA=Gm*sin (где Gm -гипотенуза, противолежащий угол). Таким образом, GA=l=h*sin .

Как видно из рис.16, поперечная метацентрическая высота h=zm-zg или h=zc+rzg Продольная метацентрическая высота H=z-zg или H=zc+R-zg.

Так как величина (zc-zg) сравнительно мала по отношению к R ,то часто принимают H~R.

После составления грузового плана и определения D=, Mz=*zi рассчитывают zg=Mz/D по грузовой шкале в зависимости от D и осадку Т . Затем с помощью кривых элементов теоретического чертежа или таблиц в зависимости от Т определяют zm, z zc,r , R.

После этого по приведенным выше формулам определяют hи H .

16.Метацентрические формулы остойчивости. Условие остойчивости.

Восстанавливающий момент равен Mв=g*D*l. При малых углах крена и дифферента l=h*sin и = H* sin. Тогда при малых углах крена:

Mв=g*D*h*sin . (17).

При дифференте <100 всегда, поэтому:
M=g*D*H*sin~g*D*R*рад (18).

Формулы (17) и (18) называются метацентрическими формулами остойчивости.

Из этих формул следует, что восстанавливающий момент положительный, если метацентрическая высота положительна, то есть метацентр возвышается над центром тяжести

Момент дифферентующий на 1 см - Мо.может быть получен, если в формулу (18) вместо угла дифферента подставить его значение при дифференте 1 см=0,01м.:

=d/L=(0,01)/L, M= Мо.

Тогда Mo=0,01*g*D*R/L,а для момента массы, который дифферентует на 1 см: M1=0,01*D*R/L.

17. Влияние горизонтального перемещения груза на остойчивость и посадку судна.

Перенос груза можно рассматривать как снятие груза с судна с последующим его приёмом в заданную точку.

  1. Поперечный перенос груза.

Поперечный горизонтальный перенос груза можно рассматривать (рис.17) как его снятие (приложение силы Р1 ) и приём груза в заданное положение (приложение силы Р2 ). Так как IР1I= IP2I= IPI=m*g, то перенос груза эквивалентен приложению пары сил с кренящим моментом Mкр=b*m*g.При действии кренящего момента судно будет крениться до тех пор, пока восстанавливающий момент (Мв) не станет равным кренящему Mв=Mкр.






Рис.17.

Перенос груза.






Мв=g*D*h*sin

Mкр=b*m*g D*h* sin =b*m * sin=(b*m)/(D*h) (19)

При горизонтальном переносе груза не изменяются:

D так как не изменяются ;

zm так как не изменяются Dи T;

zg= так как не изменяются mi zi

h=zm-zg так как не изменяются zmи zg.

17.2.Продольный перенос груза.

Рассуждая аналогично, приходим к выводу, что при продольном переносе груза создаётся дифферентующий момент Мдиф=m*g*l, где l плечо переноса груза.

Угол дифферента:

рад=m*l/ (D*H)m*l/(D*R) (20).

Дифферент d=рад*L. (21).

Изменение осадок носом и кормой можно рассчитать, учитывая, что судно наклоняется вокруг оси, проходящей через Ц.Т. площади ватерлинии с абсциссой xf (рис.13).

Тн=рад*(L/2-xf) .

Tк=-(L/2+xf)*рад (22)

Тм=-рад*xf.

При продольном переносе D,H,R не изменяются аналогично тому, как было показано в п. 17.1.

  1. Вертикальный перенос груза.

Вертикальный перенос груза можно рассматривать как снятие груза массой m с аппликатой z1 и приём груза m с аппликатой z2.

Аппликата Ц.Т. судна до переноса груза и после переноса соответственно:

zg1=; zg2= (23).

Изменение аппликаты центра тяжести судна:

m*(z2-z1)/D (24)


Водоизмещение D не изменяется при переносе груза, поэтому не изменяется и аппликата метацентра zm. Так как метацентрическая высота h=zm-zg,следовательно, изменение метацентрической высоты при вертикальном переносе груза равно изменению аппликаты Ц.Т. судна с обратным знаком:

(25),

где а - плечо переноса.

  1. Влияние подвижных грузов на остойчивость.

    1. Подвешенные грузы.

Различие в действии на судно подвешенных инеподвижных грузов при крене очевидно из рис.18аи 18.б. Точка подвеса груза - О.













Рис.18. Подвешенный груз.













Рис.19. Жидкий груз.


Так как при переносе силы вдоль линии действия равновесие тела (и судна) не изменяется, то в случае подвешенного груза (рис.18.б) силу Po можно перенести в точку О (для прямого положения судна) и силу Р1 также в эту точку (для судна с креном). Таким образом, подвешенный груз эквивалентен грузу, перенесенному (принятому) в точку подвеса.

Следовательно, при подвешивании груза метацентрическая высота изменяется в соответствие с (24):

(26).

Очевидно,что изменение метацентрической высоты происходит мгновенно при отрыве груза от опоры (когда груз сможет перемещаться на тросе подвеса при наклонениях судна). При дальнейшем подъёме груза метацентрическая высота не изменяется, так как при промежуточном положении действие сил на судно не изменяется.

19.1. Жидкие грузы.

Если цистерна заполнена частично, то при наклонении судна Ц.Т. жидкого груза смещается из точки Со в С1 .При небольших углах наклонения судна траекторию Ц.Т. жидкого груза можно считать дугой окружности с радиусом -rж ис центром в точке О (рис.19). Следовательно, жидкий груз влияет на остойчивость судна, как твёрдый груз подвешенный в точке О и аналогичным образом можно учесть влияние жидкого груза на остойчивость:

(27),

Аналогично радиусу кривизны траектории Ц.Т. подводного объёма судна ( r=Ix/V) , радиус кривизны траектории Ц.Т. жидкого груза будет равен:

rж=iж/vж (28),

где: iж -момент инерции свободной поверхности жидкого груза относительно оси наклонения поверхности,

vж -объём жидкого груза.

Так как масса жидкости:

,

где -- массовая плотность жидкого груза, то:

(29).

Таким образом, поправка на влияние свободной поверхности жидкого груза не зависит от массы жидкости, а зависит от момента инерции свободной поверхности, которыйпропорционален кубу ширины цистерны (для прямоугольной цистерны–i=l*b3/12).

При отсутствии свободной поверхности (или заполнении цистерны более чем на 95% или менее 5% ) жидкий груз фактически не влияет на остойчивость. Для уменьшения влияния на остойчивость свободной поверхности жидких грузов судовые цистерны делят продольными переборками.

2

0.Влияние приёма малого груза на остойчивость.


















Рис.20. Приём малого груза.

Восстанавливающий момент после приёма малого груза Мв1 можно представить как восстанавливающий момент до приёма груза плюс изменение восстанавливающего момента в результате приёма груза:

Мв1во+ (30).

Изменение восстанавливающего момента () обусловлено дополнительной силой плавучести (g*), приложенной в точке B , и силой тяжести принятого груза (m*g), приложенной в точке А (рис.20).

Изменение водоизмещения () равно массе принятого груза (m)/

Дополнительный восстанавливающий момент:

=l*g*m (31).

Из ABC :

(32).

Подставим значения в (30):

m*(

где Do, D1 - водоизмещение до и после приёма груза,

ho,h1 - метацентрическая высота до и после приёма :груза,

T- осадка до приёма груза,

- изменение осадки после приёма груза.

Сократим обе части уравнения на g и sin и к правой части добавим и отнимем m*hо :

(33).

Разделим на D1 , с учётом того, что Do+m=D1 получим:

*() (34).

Определим аппликату Ц.Т. принимаемого груза, при которой не изменяется метацентрическая высота. Для этого изменение метацентрической высоты должно ровняться нулю. Если пренебрежём ввиду малости при малом грузе:

(35)

Это уравнение нейтральной плоскости.

  1. Изменение посадки при приёме малого груза.

Изменение средней осадки:

ср=m/q (36),

где: m масса груза, q число тонн на 1 см осадки.

(Если qне приведено в судовой документации, то можно рассчитать по формуле q=*S/100, где -плотность забортной воды, S-площадь ватерлинии.)

Может возникнуть дифферентующий момент из-за того, что дополнительная сила плавучести с абсциссой xf (в центре тяжести площади В.Л.) не совпадает с силой тяжести груза (с абсциссой -x-).

Дифферентующий момент равен: Mдиф=g*m/(x-xf)

При равновесии Mдиф=Mв, тогда:

/[рад] (37)

Изменением H и R при приёме малого груза можно пренебречь.

Изменение осадки носом обусловлено изменением средней осадки и изменением осадки из-за дифферента .

+= (38).

Аналогично, изменение осадки кормой:

(39).

Если Ц.Т. груза не находится в ДП, то возникает крен:

) (40),

где: y - ордината Ц.Т. принятого груза,

h1 -метацентрическая высота после приёма груза.

  1. Составление грузового плана и расчёт метацентрической высоты.

При составлении грузового плана используются таблицы судовых помещений, где указаны их объёмы и координаты центров объёмов (vi,xi,yi) , грузовой план или чертёж размещения грузов.

В первую очередь распределяются запасы. Топливом сначала заполняются расходные и отстойные цистерны, а затем танки в районе МО и танки двойного дна.

Оставлять частично заполненными рекомендуется не более одного-двух танков каждого вида запасов. В частично заполненных танках можно считать, что Ц.Т. находится там же, где и у полностью заполненных (в запас остойчивости).

Затем распределяется груз по грузовым помещениям. В первом приближении груз можно распределять пропорционально кубатуре грузовых помещений. Если грузовые помещения заполнены частично, то необходимо уточнить положение центра тяжести груза в помещении по чертежу размещения грузов или приближенным способом – пропорционально занятому объёму.

Расчёт водоизмещения и координат центра тяжести выполняется в таблице:

Наименование

Масса mi

Плечи

Плечи

Моменты

xi

Zi

mi*xi

mi*zi


Судно порожнём







Груз в тр.№1







Груз в тр.№2







…………………







Твиндек №1







Твиндек №2







………………….







Топливо







Расходная л/б







Расходная п/б







………………….







Масло







………………







Вода







………………







Экипаж и снабжение







D



Mx

Mz



; (41),

где: zg ,xg - координаты центра тяжести судна/

Определяется поправка к остойчивости на влияние свободных поверхностей жидких грузов для одной-двух цистерн каждого вида запасов. Причём, в расчёт берутся цистерны дающие наибольшие поправки вне зависимости от того заполнены они полностью или частично (это «расчётная комбинация»). Эта поправка распространяется на все случаи загрузки в данном рейсе:

(42).

По водоизмещению и плотности забортной воды определяют среднюю осадку по грузовой шкале или таблицам (Тср) . С помощью кривых элементов теоретического чертежа или таблиц определяют для Тср:- zm или r и zc.

Исправленная метацентрическая высота равна::

(43).

23.Расчёт посадки для заданного грузового плана

Составление грузового плана и определение Tср,D ,xg рассмотрено выше.

С помощью кривых элементов теоретического чертежа или таблиц определяется для Тср абсцисса центра величины xc , момент дифферентующий на 1см М1,а если он не приведен в документации, то продольный метацентрический радиус R.

Если абсцисса центра тяжести xg не совпадает с центром величины xc , то, следовательно, сила тяжести P и сила поддержания Q образуют пару сил с моментом, равным одной из сил пары на плечо (xg-xc):

d=[см] (44).

В грузу обычно R~L, тогда d~xg-xc [м].

24.Остойчивость на больших углах крена. Диаграмма статической остойчивости.

При малых углах крена плечо статической остойчивости пропорционально синусу угла крена( l=h*sin).

При углах крена, превышающих 10о , обычно нарушается эта зависимость.

Для рассматриваемого судна при заданном водоизмещении и положении центра тяжести зависимость плеча остойчивости или восстанавливающего момента (Mв=l*g*D) от угла крена представляют графически (рис. 21).

Э

Рис.21. Диаграмма статической остойчивости

тот график называется диаграммой статической остойчивости (Рида).Рассмотрим особенности диаграммы. При некотором угле кренf диаграмма достигает максимума. Этот угол называется углом максимума, а плечо соответствующее этому углу крена называется максимальным lmax. Угол крена, при котором график l пересекает ось O называется углом заката .

Определим производную от l при .

П

Рис.22.Влияние h на диаграмму.

ри малых углах крена справедливо соотношение: l=h*. Тогда:

Производная от l при =0 численно равна тангенсу угла наклона касательной к этой кривой при =0 , а -угол наклона касательной к кривой l() при =0.


Чтобы построить касательную к кривой l в точке О , у которой tg=h, отложим по оси O один радиан (57,3o) и восстановим из конца этого отрезка перпендикуляр длиной h (рис.21). Тогда tg=h/1 (см. рис.21), следовательно, ОА – касательная к диаграмме при =0.

Э

то свойство используется при контроле построения диаграммы, оценке метацентрической высоты (рис.22).С помощью диаграммы статической остойчивости можно решать следующие задачи:
  1. З

    Рис. 23. Действие постоянного момента

    адан Мкр , определить угол крена. Угол крена можно определить из условия равновесия: Мкрв или lкр=l . Отложим по оси ординат Мкр или lкр=Mкр/(g*D) и через эту точку проведём горизонталь до пересечения с диаграммой (рис.23) . Тогда точка А соответствует равенству кренящего и восстанавливающего момента, т.е. условию равновесия. Поэтому угол крена ,соответствующий этой точке, и есть искомый угол крена. Легко увидеть, что точка А соответствует устойчивому равновесию, так как если вывести судно из этого равновесия, увеличив угол крена, то под действием избытка восстанавливающего момента над кренящим, угол крена судна уменьшится до первоначального. Если же уменьшить угол крена, то кренящий момент будет больше восстанавливающего, и крен судна будет увеличиваться до . Аналогично проверяя точку В видим, что она соответствует неустойчивому положению равновесия.
  2. Если задан угол крена судна , то можно определить соответствующий этому углу восстанавливающий момент. Восстанавливающему моменту равен кренящий момент. В этом случае построение должно быть обратным.

  3. Можно определить опрокидывающий момент – наибольший момент, который выдерживает судно не опрокидываясь. Для этого достаточно провести касательную к диаграмме в точке максимума и по шкале М или l определить максимальный восстанавливающий момент или максимальное плечо момента.

25. Построение диаграммы статической остойчивости с использованием пантокарен.

Для рассматриваемого судна плечо статической остойчивости l зависит от D, zg,, то есть является функцией трёх параметров. С целью упрощения расчётов плечо l удобно представить как разность двух величин, но каждая из них уже зависит от двух параметров. Из рис. 24 видно, что:

(45).




Рис. 24.

Плечо формы.












Возможно представление плеча l в виде разности или суммы других величин, если принять точку Co или m, относительно которой измерять плечоформы.

Очевидно, что lф для рассматриваемого судна зависит от D ( или V=D/) и .

На основе соответствующих расчётов, обычно выполняемых на ЭВМ, эта зависимость может быть представлена графически и для фиксированных значений строят графики lф(V) , как это показано на рис.25. Эти кривые называются интерполяционными кривыми плеч остойчивости формы (пантокаренами). С помощью этих кривых для любого водоизмещения можно определить плечи формы для фиксированных углов крена (10о, 20о, 30о, 40о, 50о, 60о, 70о). Плечи статической остойчивости l для этих углов крена можно определить, если из lф вычесть zg*sin. Эти вычисления удобно выполнять в табличной форме. После этого полученные значения l откладывают перпендикулярно оси O через 10о в систем координат lOТочки соединяют плавной кривой, получая диаграмму статической остойчивости (рис.21).








Рис.25.

Пантокарены










26.Построение диаграммы статической остойчивости по универсальной диаграмме.


Д

Рис.26. Универсальная диаграмма статической остойчивости.

ля определения плеч статической остойчивости при углах 10о, 20о ….70о на универсальной диаграмме остойчивости (рис. 26) на шкале h откладываем исправленную метацентрическую высоту. Через эту точку и начало координат проводят прямую. Для фиксированных углов по нормали к оси углов крена снимается расстояние между проведенной прямой и линией соответствующей водоизмещению судна. Этот отрезок откладывают по шкале l и определяют величину плеча статической остойчивости для данного угла крена при данной загрузке. Эти величины заносят в таблицу, а затем стоят диаграмму статической остойчивости в равномерной шкале , как указано выше, Если кривые водоизмещения не соответствуют водоизмещению рассматриваемого случая загрузки, то интерполируя интервал между ближайшими водоизмещениями проводится вспомогательная кривая или откладываются соответствующие точки на углах крена кратных 10.

27. Динамическая остойчивость. Диаграмма динамической остойчивости. Динамический угол крена.

Ранее мы рассматривали постепенное приложение кренящего момента. При таком действии момента судно получает пренебрежимо малые скорости и ускорения, что позволяет решать задачи в статической постановке.

Значительный практический интерес представляют задачи, в которых кренящий момент возрастает до наибольшего значения практически мгновенно, то есть за время, значительно меньшее времени наклонения судна.

Б

Рис.27. Действие динамического момента.

удем считать, что к судну, не имеющему крена, приложен кренящий момент Мкр , который не зависит от угла крена судна. Графически этот кренящий момент можно изобразить прямой АС параллельной оси углов крена (рис.27). При углах крена < Mкр>Mвпоэтому судно будет увеличивать скорость наклонения и, следовательно, кинетическую энергию. При уже восстанавливающий момент больше кренящего и, следовательно, скорость и кинетическая энергия будут уменьшаться до некоторого угла , при котором угловая скорость и кинетическая энергия будут равны нулю. Наибольший угол , на который наклоняется судно при внезапном приложении момента, называется динамическим углом крена.

Для определения воспользуемся теоремой об изменении кинетической энергии, в соответствии с которой изменение кинетической энергии равно работе всех сил действующих на систему (из теоретической механики).

При =0 и при ( при наибольшем наклонении) кинетическая энергия равна нулю, так как скорость =0.. Из этого следует, что при суммарная работа кренящего и восстанавливающего моментов =0, а по модулю работа восстанавливающего момента Ав равна работе кренящего момента Акр (так как они имеют противоположный знак). Таким образом, для определения нужно найти угол крена, при котором Авкр.

Элементарная работа момента dA=M*d (из теоретической механики). Работа при конечном угле поворота (от =0 до ) равна:

(46)/

Следовательно, работа момента численно равна площади под графиком момента. Работа кренящего момента Мкр равна площади под графиком момента. Работа восстанавливающего момента равна площади ОВЕ. Если эти площади будут равны, то работы моментов будут равны и угол, при котором равны моменты и будет искомым углом динамического равновесия -. Площадь трапеции ОВD общая для площадей изображающих работу моментов Мкр и Мв .Поэтому для равенства работ и определения достаточно равенства заштрихованных горизонтально и вертикально площадей ( ОАВ и ВЕD, рис.27).

Таким образом, для того, чтобы определить при заданном Мкр , ищем такое положение вертикали ED, при котором горизонтально и вертикально заштрихованные плошади равны. Следует обратить внимание на то, что больше более, чем в два раза.

При визуальном определении площадей диаграммы возможны погрешности, которые приводят к неточности при определении .

Динамический угол крена определяется из условия равенства работ кренящего Акр и восстанавливающего моментов Ав . Поэтому, если построить графики этих работ, то точка пересечения графиков соответствует равенству этих работ (Акр= Ав) и, следовательно, позволяет более точно определить (рис. 28).

}…………(47).

Ав()=,

Акр()=





Рис.28. Графики моментов и их работы:

а- восстанавливающего момента,

б- кренящего момента.









Рис.29. Определение динамического угла крена по диаграмме динамической остойчивости: а- при шкале работ, б- при шкале плеч.









Кривая Ав() является интегральной по отношению к Мв , поэтому обладает характерными свойствами интегральных кривых: при =0 и =зак - Мв=0 , а на кривой Ав() минимум при =0 и максимум при зак; при - максимум кривой Мв() и точка перегиба кривой Ав() (рис.28а).

Мкр – постоянная, поэтому Акр – прямая, проходящая через начало координат (формула 47), так как при =0 - Акр=0 а при =1рад - Акр= Мкр (рис. 28б).

28.Определение опрокидывающего момента при прямом начальном положении судна.

Опрокидывающим моментом называется наибольший динамически приложенный момент, который ещё выдерживает судно не опрокидываясь.

При увеличении Мкр равенство работы кренящего и восстанавливающего моментов наступает при б’ольших углах динамического крена . И, наконец, при некоторой величине Мкропр запас остойчивости соответствующий площади ECD (рис.27, 30а) становится равным нулю. При большем моменте судно опрокидывается, а меньший момент не является предельным. Следовательно, этот момент является опрокидывающим.
















Рис.30.Определение опрокидывающего момента по диаграмме: а- статической остойчивости,

б- динамической

На диаграмме динамической остойчивости (рис. 30б) большей величине динамически приложенного кренящего момента соответствует больший угол наклона прямой, которая изображает зависимость . Очевидно, что касательной к диаграмме Ав() соответствует наибольший динамически приложенный момент, который ещё выдерживает судно не опрокидываясь -Мопр. Действительно, при большем кренящем моменте линия не пересечёт Ав() , что приведёт к опрокидыванию судна.

29. Определение опрокидывающего момента при качке судна.

Проследим за тем, как изменяется энергия, и определим величину работы восстанавливающего момента при качке судна (рис. 31). Судно совершает колебания относительно положения статического равновесия (), наибольшее наклонение на левый борт - , на правый борт - . Следовательно, при =и = - угловые скорости и кинетические энергии равны нулю. При изменении угла наклонения судна с до кинетическая энергия увеличивается под действием восстанавливающего момента , стремящегося привести судно к вертикальному положению () . При этом восстанавливающий момент совершает работу, соответствующую вертикально заштрихованной площади, которая численно равна работе восстанавливающего момента - ординате Авл диаграммы динамической остойчивости (по определению). При изменении угла наклонения от 0о до восстанавливающий момент действует уже в направлении противоположном наклонению судна. Его работа затрачивается на уменьшение кинетической э

Рис.31. Работа восстанавливающего момента при качке судна

нергии судна и при = кинетическая энергия равна нулю.

Р

ис.32. Действие внезапно приложенного момента при качке судна

Работа при изменении угла крена с о=0 до = численно равна заштрихованной горизонтально площади или ординате диаграммы динамической остойчивости. Очевидно, что в соответствие с законом сохранения энергии Авл = , или горизонтально и вертикально заштрихованные области диаграммы статической остойчивости должны быть равны по площади. Обратное колебательное движение судна происходит аналогично (подобно колебаниям маятника).

Рассмотрим случай, когда динамически приложен момент при = (рис. 32а).

При = кинетическая энергия =0. При изменении угла наклонения судна с до 0о кренящий момент и восстанавливающий момент направлены в одну и ту же сторону, поэтому работа их должна суммироваться и соответствует вертикально заштрихованной области ОАВС (рис. 32а). При изменении угла крена с 0о до кренящий момент действует в ту же сторону, поэтому площадь прямоугольника OCD , соответствующую работе Мкр на интервале 0о - , штрихуем так же вертикально (рис.32а). Таким образом, работа моментов, стремящихся наклонить судно на правый борт , соответствует всей вертикально заштрихованной площади - OABD . При изменении угла крена с 0о до восстанавливающий момент Мвпр направлен в сторону противоположную наклонениям. Работа этого момента Авпр соответствует горизонтально заштрихованной площади под кривой Мвпр (OEF). При равенстве горизонтально и вертикально заштрихованных областей работа моментов, стремящихся увеличить угол наклонения на правый борт, будет равна работе момента, стремящегося уменьшить угол наклонения (то есть работы равны по модулю). Следовательно, кинетическая энергия будет равна нулю, что соответствует . можно определить и по равенству площадей ABE и EFD, так как площадь OED общая.

Для решения этой задачи на диаграмме динамической остойчивости необходимо построить график Акр, то есть суммы работ внезапно приложенного кренящего момента Мкр, который начинает действовать с =, и восстанавливающего момента М , который действует с = до 0о.

Работа восстанавливающего момента М (площадь ОА) соответствует ординате А (рис.32). Следовательно, к ординатам прямой, соответствующим работе Мкр, необходимо добавить ординату А. Это сложение можно выполнить графически, если прямую, соответствующую работе Мкр , отстроить от точки N,как показано на рис. 32б . Пересечение этой кривой с кривой Авпр соответствует равенству работ кренящих и восстанавливающего моментов и, следовательно, определяет .

Если мы будем увеличивать величину кренящего момента (рис. 32а), то при некоторой величине кренящего момента Мопр будет использован весь запас остойчивости. При дальнейшем увеличении кренящего момента равенство работ не будет достигнуто при любых . Следовательно, методом подбора можно определить по диаграмме статической остойчивости Мопр.

По диаграмме динамической остойчивости (рис.32б) для определения Мопр необходимо из точки N построить касательную к кривой Авпр . Эта касательная является графиком наибольшего момента, который выдерживает судно не опрокидываясь.

30. Требования Регистра судоходства к остойчивости морских судов.

Остойчивость судов в любом состоянии загрузки должна удовлетворять следующим требованиям:

  1. Исправленная начальная метацентрическая высота должна быть положительна (h>0).

  2. Максимальное плечо диаграммы статической остойчивости должно быть не менее 0,25м при L 80м и не менее 0,2м при L 105м.

  3. Угол максимума диаграммы статической остойчивости должен быть не менее 30о (max30o).

  4. Угол заката диаграммы статической остойчивости должен быть не менее 60о (зак 60о).

  5. Критерий погоды (К) должен быть не менее 1 :

К , К=Мопркр.

Кренящий момент определяется по формуле:

,

где: Av – площадь парусности судна в м2,

pv - давление ветра в паскалях [Па] , зависящее от района плавания и z ,

z– отстояние центра парусности от плоскости ватерлинии в метрах.

Амплитуда качки при определении Мопр расчитывается по формуле:

,

где: X1=f(B/T),

X2=f() ,

Y=f() и зависит от района плавания.

При наличии у судна скуловых килей расчётная амплитуда качки может быть уменьшена:

;

Аск – площадь скуловых килей в м2.

Необходимые для расчётов величины pv, X1, X2, Y, k определяются по таблицам, приведенным в Правилах Регистра судоходства. Опрокидывающий момент определяется как показано в п.29.

  1. Остойчивость по критерию ускорения считаетсяч приемлемой, если расчётное ускорение не превішает 0,3*g

=

=; C1=f(h*B/zg/).

C1 определяется по таблицам Правил Регистра судоходства.

31. Альтернативные требования к остойчивости судов неограниченного плавания (основанные на кодексе ИМО).

Диаграмма статической остойчивости должна удовлетворять указанным ниже требованиям:

  1. Площадь под кривой восстанавливающих плеч должна быть не менее 0,055 мрад. до угла крена 30о и не менее 0,09 мрад. до угла крена 40о . Площадь под кривой восстанавливающих плеч между углами крена 30о и 40о должна быть не менее 0,03 мрад.

  2. Максимальное плечо должно быть не менее 0,2 м при угле крена не менее 30о.

  3. Угол заката диаграммы должен быть не менее 60о..

  4. Исправленная начальная метацентрическая высота при всех вариантах загрузки должна быть не менее 0,15 м.

  5. Остойчивость судна по критерию погоды считается достаточной, если судно способно противостоять одновременному действию ветра и волнения.

Считается, что судно находится под воздействием постоянного ветра с плечом кренящего момента lw1=pv*A*zv/(1000*g*D) (pv=504 Па - давление ветра, zv – плечо парусности, А – площадь парусности). От угла крена , вызванного постоянным ветром, судно в процессе качки кренится на наветренный борт на угол, равный амплитуде (расчётные данные приведены в таблицах). На наклонённое судно действует порыв ветра, которому соответствует lw2=1.5*lw1. Площадь “в” ограничена кривой восстанавливающих плеч, прямой, соответствующей плечу lw2 при угле крена не больше 50о (см. рис. 33). Площадь «а» ограничена кривой восстанавливающих плеч, прямой lw2 и углом крена, соответствующим амплитуде качки . Остойчивость считается достаточной по критерию, если площадь «а» не больше площади «в». Допустимый угол крена от действия постоянного ветра не должен превышать 0,8 угла входа палубы в воду или 15о, в зависимости от того, что меньше.











Рис.33. Требования ИМО к критерию погоды.










32. Основные понятия о непотопляемости.

Непотопляемостью называется способность судна при затоплении одного или нескольких судовых отсеков сохранять остойчивость и плавучесть в необходимых пределах. При обеспечении непотопляемости предпочтение отдаётся обеспечению аварийной остойчивости, так как потеря плавучести обычно происходит сравнительно медленно и есть время для принятия мер по спасению судна и его экипажа, а при потере остойчивости судно опрокидывается очень быстро.

В обеспечении непотопляемости можно выделить три комплекса мероприятий:

1.-Конструктивные мероприятия, которые проводятся при проектировании, постройке и ремонте судна.

2.-Организационно-технические мероприятия, которые являются предупредительными и проводятся во время эксплуатации судна.

3.-Оперативные мероприятия по борьбе за непотопляемость после аварии, направленные на борьбу с поступлением воды, восстанавливание остойчивости и спрямление повреждённого судна. Если оценка ситуации свидетельствует о невозможности обеспечения непотопляемости, принимаются меры по спасению экипажа с помощью спасательных средств.

При наличии на судне программ расчёта непотопляемости оценку ситуации при авариях желательно производить до выхода в рейс и уточнять при аварии. При отсутствии программы и наличии информации – до выхода в рейс.

При оценке аварийной ситуации необходимо определять аварийную осадку, тенденцию в изменении осадки, аварийную остойчивость, меры по спрямлению судна. Расчёты в судовых условиях обычно выполняются методом приёма груза, то есть влившуюся воду считают принятым жидким грузом. Если отсек сообщается с забортной водой и уровень воды в отсеке соответствует уровню забортной воды и количество влившейся воды изменяется, то в этом случае решение находят методом последовательных приближений. Условно принимают некоторый уровень влившейся воды, исходя из этого определяют количество влившейся воды и расчётную осадку при этом. Если при этой посадке принятый уровень забортной воды совпадает с уровнем забортной воды в районе отсека, то расчёт закончен. В противном случае назначают новый уровень с учётом расчётной посадки и повторяют расчёты до совпадения принятого уровня воды в отсеке с уровнем забортной воды.

Количество влившейся воды зависит от заполнений помещений грузом, оборудованием и т. д.

Отношение объёма влившйся vв к теоретическому объёму помещения по уровень затопления vт называется коэффициентом проницаемости (vт). Масса влившейся воды .Для генерального груза , для МО , лесной груз – 0,35, для жилых помещений – 0,95.

33. Конструктивные меры и организационно-технические мероприятия по обеспечению непотопляемости.

Непотопляемость судна обеспечивается за счёт запаса его плавучести, под которым понимается объём прочной водонепроницаемой части корпуса, расположенной выше ватерлинии.

Кроме запаса плавучести для обеспечения непотопляемости необходимо разделить корпус судна на отсеки водонепроницаемыми поперечными переборками, чтобы исключить распространение воды по всему судну при пробоине. Таким образом запас плавучести и поперечные переборки являются необходимыми конструктивными мерами для обеспечения непотопляемости.

Дополнительными конструктивными мерами являются двойное дно и двойные борта, которые могут ограничивать распространение воды по судну в случае не глубокой пробоины.

К организационно-техническим мероприятиям относятся:

  • правильная организация и систематическая подготовка личного состава к борьбе за непотопляемость (учения, расписания по тревогам);

  • систематическое наблюдение за корпусом с целью предупреждения недопустимых износов;

  • борьба с коррозией корпуса (окраска, электрохимическая защита);

  • поддержание непроницаемости дверей, иллюминаторов, сходных лючков, люковых крышек;

  • поддержание в исправном состоянии запорных устройств вентиляционных каналов;

  • контроль забортных отверстий (в доке);

  • раскрепление грузов для предотвращения смещения;

  • контроль за свободными поверхностями жидких грузов и возможное их сокращение.

34. Нормирование непотопляемости.

В соответствие с Кодексом ИМО должна быть обеспечена непотопляемость всех пассажирских судов (судов, у которых более 12 человек не членов экипажа).

В соответствие с требованиями Регистра судоходства непотопляемость должна быть обеспечена также:

  • судов типа УЛА и УЛ при L>90 м и самостоятельном плавании в Арктике (велика вероятность пробоины);

  • суда типа ро-ро длиной более 170 м (в грузовых помещениях мало поперечных переборок и поэтому опасна пробоина);

  • ледоколы при длине более 50 м, буксиры-спасатели (велика вероятность пробоины);

  • суда с атомной силовой установкой и суда, перевозящие радиоактивные материалы (очень опасно затопление из-за загрязнения моря).

Расчётная пробоина – длиной 3+3%L или 11 м или11% L в зависимости от того, что меньше; глубина пробоины 1/5 В, а по высоте – от киля до верхней палубы. Аварийная ватерлиния без учёта крена не должна проходить выше палубы вне зоны затопления и не менее, чем в 0,3м от открытых отверстий. Крен после затопления должен быть не более 15о для пассажирских судов и 20о для непассажирских судов, после спрямления 7о и 12о соответственно.

Аварийная метацентрическая высота должна быть не менее 0,05м, и протяженность положительных плеч диаграммы аварийной остойчивости должна быть не менее 20о.

35. Общая прочность и её контроль.

Прочностью называется способность судна воспринимать действующие нагрузки без разрушений и остаточных деформаций.

Нагрузками для корпуса судна являются силы тяжести корпуса, оборудования, устройств, запасов, грузов, снабжения, силы гидростатического давления воды, инерционные силы при качке, удары волн о корпус и т. д.

Корпус судна с точки зрения прочности рассматривают как мощную пустотелую коробчатую балку переменного сечения, образованную бортами, днищем и верхней палубой и подкрепленную поперечными и продольными переборками, палубами и платформами.

Постоянные силы действующие на судно, в целом взаимно уравновешены (силы тяжести и силы поддержания), но они распределены не одинаково по длине судна. Поэтому в пределах каждого ограниченного участка длины преобладают те или иные силы. Из-за этого в корпусе развиваются перерезывающие силы и изгибающие моменты и корпус деформируется как балка, получая прогиб или перегиб. Прочность этой балки-корпуса называется общей прочностью

М

Рис.34. Диаграмма контроля прочности.

аксимальные значения изгибающих моментов и перерезывающих сил в поперечных сечениях корпуса резко возрастают с увеличением длины судна. При длине судна до 120 м и равномерной загрузке по длине судна общую прочность можно не проверять. При длине судна от 120 м до 170 м общая прочность контролируется по изгибающему моменту на миделе судна. Для судов до 170 м длиной проверка прочности может выполняться по диаграмме контроля общей продольной прочности (рис. 34). Для этого необходимо рассчитать для всех масс дедвейта и с половиной этой суммы и дедвейтом (водоизмещением) входим в диаграмму рис. 34. Если точка соответствующая загрузке судна находится между кривыми «опасна вершина волны» и «опасна подошва волны», то общая прочность обеспечена на волнении. Если между этими кривыми и кривыми «опасный перегиб» или «опасный прогиб», то прочность обеспечена только на тихой воде (в порту).

При длине судна более 170 м или неравномерной загрузке рекомендуется проверять общую прочность для нескольких сечений по аналогичным диаграммам, но не только по изгибающим моментам, но и по перерезывающим силам. Расчеты эти весьма трудоёмкие, поэтому на этих судах расчёты обычно выполняются с помощью компьютеров по соответствующим программам.

36. Местная прочность.

Местная прочность – это прочность отдельных конструкций (палуб, двойного дна, переборок, люковых закрытий и т. д.).

В условиях эксплуатации необходимо контролировать прочность при распределении грузов по палубам, люковым крышкам, двойному дну, сравнивая нагрузки с допускаемыми для данного судна. Если на судне отсутствуют удельные допускаемые нагрузки и рекомендации, то можно ориентироваться на распределение грузов и удельные нагрузки вариантов загрузки, рассмотренных в информации об остойчивости судна. Можно считать, что допускается нагрузка - 1,5 т/м2 для верхней палубы судов длиной более 140 м, для твиндечной палубы – до 0,74*hтв , количество груза в трюме Q (b,l размеры трюма, Т и В – осадка и ширина судна)

37. Буксировочное сопротивление и буксировочная мощность. Пропульсивный коэффициент полезного действия (КПД).

При движении с некоторой скоростью V судно испытывает силу сопротивления воды R , направленную в сторону противоположную его движению. Величина этой силы зависит от размеров и формы обводов корпуса, состояния его наружной обшивки, а также режима и условий движения судна.

При равномерном и прямолинейном движении судна сила сопротивления уравновешивается силой на движителе (упором винта).

Мощность необходимая для преодоления силы сопротивления, называется буксировочной мощностью Nб=R*V (ватт), где V – скорость судна.

Пропульсивный КПД Nб/Nе где Nе мощность двигателя (на фланце.). Пропульсивный КПД учитывает потери мощности в редукторе, валопроводе, гидродинамические потери движителя, взаимодействие движителя и корпуса. Пропульсивный КПД сравнительно не велик ~ 0,6…0,8.

38. Разделение сопротивления на составные части.

Исследования показывают, что для изучения сопротивления его целесообразно разделить на 3 составные части: сопротивление трения - Rf, сопротивленние формы -Reи волновое сопротивление - Rw. Причины возникновения составляющих сопротивления и принципы их разделения иллюстрирует таблица 1.


Таблица 1. Разделение сопротивления воды движению судна на составляющие

Составляющие сопротивления

Обозна-чение

Вызванное судном движение жидкости

Вид поверхностных сил

Свойство жидкости

Сопротивление трения

Rf

попутный поток

касательные напряжения

вязкость

Сопротивление формы

Re

вихри

давление

вязкость

Волновое сопротивление

Rw

судовые волны

давление

весомость

Сопротивлением трения называется часть общего сопротивления, энергия по преодолению которого переходит в кинетическую энергию попутного потока трения-– потока, который увлекается судном при движении из-за сцепления частиц воды с обшивкой судна. В «чистом виде» попутный поток можно увидеть за буксируемым судном.

Сопротивление формы (вихревое) – часть общего сопротивления, энергия по преодолению которого переходит в кинетическую энергию вихрей. Эти вихри можно наблюдать за буксируемым судном. Сопротивление формы обусловлено уменьшением давления воды в кормовой части судна из-за повышения скорости обтекания кормовой оконечности судна при наличии вихрей и соответствующего уменьшения давления.

Волновое сопротивление – часть общего, энергия по преодолению которого переходит в кинетическую энергию волн, образующихся при движении судна. Волновое сопротивление обусловлено силами давления, возникающими при движении судна на разделе двух сред (воды и воздуха) из-за весомости воды.

При движении судна возникает две системы волн: носовая, начинающаяся с гребня волны, и кормовая – начинается с подошвы волны. Эти системы волн состоят из расходящихся и поперечных волн.

39. Методы уменьшения сопротивления.

Сопротивление трения – это основная часть общего сопротивления (~70%). Поэтому следует особое внимание уделять уменьшению шероховатости подводной части корпуса. Следует систематически очищать корпус судна от обрастания и ржавчины. Последние исследования показывают, что метод очистки также существенно влияет на шероховатость и сопротивление. При очистке корпуса старыми методами с помощью ударных инструментов и пескоструйным методом остаются на поверхности микронеровности и наклёп, что увеличивает шероховатость и приводит к ускоренной коррозии. Поэтому в настоящее время считается более прогрессивной очистка корпуса судна струёй воды сверхвысокого давления.

Способствует уменьшению шероховатости и уменьшению сопротивления трения покраска подводной части судна самополирующимися красками. Несмотря на высокую стоимость покрытий, расходы окупаются за несколько месяцев эксплуатации за счёт экономии топлива.

Подводная очистка корпуса позволяет увеличить скорость на 2 узла в ряде случаев. У судов на воздушной подушке и подводных крыльях резко уменьшается площадь соприкосновения корпуса судна с водой, что существенно уменьшает сопротивление.

Увеличение коэффициента общей полноты судна (при неизменном водоизмещении) также сокращает площадь поверхности подводной части судна и уменьшает сопротивление трения. Этот метод эффективен для крупных относительно тихоходных судов.

Для уменьшения волнового сопротивления проектируют суда так, чтобы при проектной скорости кормовая система волн частично гасила носовую систему (интерференция волн). При этом, суммарная энергия волн уменьшается и уменьшается мощность, необходимая для движения судна.

Для уменьшения волновой составляющей сопротивления, носовой оконечности судов придают бульбообразную форму. Бульб порождает свою систему волн, которая интерферирует с основной системой и уменьшает её. Аналогичную роль играет кормовой бульб (сигарообразная форма кормы).

40. Понятие о движителе.

Движителем называется устройство, преобразующее работу главного двигателя в работу по преодолению сопротивления воды движению судна.

Движители бывают:

- активные – использующие энергию ветра (парус, крыло, ротор);

  • реактивные – использующие реакцию отбрасываемой воды (весло, гребное колесо, винт, водомёт, крыльчатый движитель).

Крыльчатые движители устанавливаются на портовых судах, для которых необходима высокая маневренность. Диск, на котором расположены вертикальные лопасти, устанавливается заподлицо с горизонтальным участком обшивки судна. Диск с лопастями вращается относительно вертикальной оси и лопасти разворачиваются относительно своей оси так, чтобы создавать упор в нужном направлении. Благодаря этому судно может перемещаться назад, вперёд, лагом и поворачивать без изменения числа оборотов и реверсов двигателей.

На многих портовых буксирах установлены крыльчатые движители. Но, к сожалению, крыльчатые движители имеют и недостатки: высокая стоимость, КПД ниже чем у винтов, значительно теряют эффективность на волнении.

Простота конструкции и передачи крутящего момента на движитель, малое влияние волнения на его эффективность и ряд других преимуществ гребных винтов явились причинами наибольшего распространения их на морских судах.

Гребной винт представляет собой конструкцию в виде ступицы с размещенными на ней лопастями, которые расположены радиально на равных угловых расстояниях друг от друга. Гребные винты изготовляют цельнолитыми или со съёмными лопастями. Различают винты фиксированного шага (ВФШ) и регулируемого шага (ВРШ).

Основными геометрическими характеристиками гребного винта являются: шаг – Hp , диаметр - Dp , - дисковое отношение, шаговое отношение - Hp//Dp.

Лопости винта образованы сложными винтовыми поверхностями переменного шага по оси и по радиусу, поэтому можно говорить только об усредненном или номинальном шаге (шаг – перемещение винта за один оборот в твёрдой среде).

Дисковым отношением называется отношение спрямленных площадей лопастей винта к площади диска винта .

К кинематическим характеристикам винта относятся поступь, относительная поступь и скольжение. Поступь – hp называется перемещение винта за один оборот в жидкой среде. Относительная поступь . скольжение – S=Hp-hp. Чем больше скольжение, тем больше винт отбрасывает воды и тем больше упор винта. Важнейшей динамической характеристикой винта является его КПД.

41. Понятие об управляемости.

У

Рис.35. Манёвр циркуляция.

правляемостью называется способность судна поддерживать заданное направление движения (устойчивость на курсе) или изменять направление по желанию судоводителя (поворотливость). Устойчивость на кусе и поворотливость антагонистичные свойства. Поворотливые портовые суда не устойчивы на курсе но поворотливы, а устойчивые на курсе морские суда имеют сравнительно плохую поворотливость. Эксплуатационно устойчивым считаются судно, если при ~ 4-х кладках руля в минуту удаётся обеспечить рыскание не более 2...3о.

Поворотливость оценивается маневром судна «циркуляция» (рис.35) и отношением абсолютных величин диаметра циркуляции (Dц) , выдвига – l1, прямого и обратного смещения –(l2, l3) к длине судна. Примерные соотношения между этими величинами: l1=(0,6…1,2)*Dц; l2=(0,5…0,6)*Dц; l3=(0…0,1)*Dц; Dц=(4…7)*L; =7..15о.

Угол дрейфа -- это угол между касательной к траектории движения судна и ДП судна.

Контрольные вопросы по курсу ТУС для заочников третьего курса судоводительской специальности.

1.Главные плоскости и главные сечения судна. 3

2. Главные размерения судна. 3

3. Характеристики формы судна. 5

4. Теоретический чертёж 5

5.Посадка судна; параметры определяющие посадку. 6

6.Условия равновесия плавающего судна. Силы действующие на судно. 8

7.Массовые и объёмные характеристики судна. 9

8.Грузовая шкала. Поправки. 9

9.Диаграмма осадок носом и кормой. 12

10.Запас плавучести. Надводный борт. Грузовая марка. 13

11. Понятие об остойчивости. Виды остойчивости судна. 14

12.Остойчивое и неостойчивое судно. Восстанавливающий момент. 15

Рис.11. 15

13 Теорема Эйлера. Изменение осадок носом и кормой при изменении дифферента. 15

14.Начальная остойчивость. Метацентр. Метацентрический радиус. 16

15. Метацентрическая высота и её расчёт 16

16.Метацентрические формулы остойчивости. Условие остойчивости. 17

17. Влияние горизонтального перемещения груза на остойчивость и посадку судна. 17

18.Вертикальный перенос груза. 18

19.Влияние подвижных грузов на остойчивость. 19

20.Влияние приёма малого груза на остойчивость. 20

21.Изменение посадки при приёме малого груза. 21

22.Составление грузового плана и расчёт метацентрической высоты. 21

23.Расчёт посадки для заданного грузового плана 22

24.Остойчивость на больших углах крена. Диаграмма статической остойчивости. 23

25. Построение диаграммы статической остойчивости с использованием пантокарен. 24

26.Построение диаграммы статической остойчивости по универсальной диаграмме. 25

27. Динамическая остойчивость. Диаграмма динамической остойчивости. Динамический угол крена. 26

28.Определение опрокидывающего момента при прямом начальном положении судна. 27

29. Определение опрокидывающего момента при качке судна. 28

30. Требования Регистра судоходства к остойчивости морских судов. 30

31. Альтернативные требования к остойчивости судов неограниченного плавания (основанные на кодексе ИМО). 31

32. Основные понятия о непотопляемости. 32

33. Конструктивные меры и организационно-технические мероприятия по обеспечению непотопляемости. 33

34. Нормирование непотопляемости. 33

35. Общая прочность и её контроль. 34

36. Местная прочность. 34

37. Буксировочное сопротивление и буксировочная мощность. Пропульсивный коэффициент полезного действия (КПД). 35

38. Разделение сопротивления на составные части. 35

39. Методы уменьшения сопротивления. 36

40. Понятие о движителе. 36

41. Понятие об управляемости. 37