среда, 6 ноября 2013 г.

конструкция корпуса судна

Сережа- классный судостроитель и напарник по вахте

Понятие о прочности судна

Прочностью называется способность судна воспринимать действующие нагрузки без разрушений и остаточных деформаций.
Нагрузками для корпуса судна являются силы тяжести корпуса, оборудования, устройств, запасов, грузов и 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, днишем и верхней палубой и подкрепленную поперечными и продольными переборками, платформами и палубами.
Постоянные силы, действующие на судно, в целом взаимно уравновешиваются (силы тяжести и силы поддержания), но они распределены неодинаково по длине судна. Поэтому в пределах каждого ограниченного участка длины преобладают те или иные силы. Из-за этого в корпусе развиваются перерезывающие силы (стремящиеся сместить одну часть корпуса относительно другой) и изгибающие моменты.
Поэтому корпус деформируется как балка, получая прогиб или перегиб. Прочность этой балки-корпуса называется общей прочностью.
Местная прочность - это прочность отдельных конструкций (палубы, двойною дна, люковых крышек, переборок и т. д.)

Элементы перекрытия. Перекрытия в составе корпуса, системы набора перекрытий

Перекрытием называется система балок, перекрытых настилом или обшивкой. Элементами перекрытия являются балки различного профиля (полосы, угольники, полособульбы, т-образные и другие профили) и стальные листы.


Рис. 5.1. Профильный прокат
1 - равнобокий угольник; 2 - неравнобокий угольник; 3 - швеллер; 4 - двутавр; 7 - полособульб; 8 - симметричный полособульб; 9 - люковый профиль; 10 - сегментный профиль; 11 - прутковая сталь; 12 - труба.
Преобладающим типом соединений стальных конструкций в судостроении являются сварные соединения, Сварка обеспечивает равнопрочность соединения свариваемых листов, балок и других деталей (даже таких массивных как детали ахтерштевня и форштевня). Широко применяется и даёт отличные результаты при высокой производительности труда автоматическая и полуавтоматическая электросварка под слоем флюса. Достаточно широко применяется ручная сварка и полуавтоматическая сварка в среде защитных газов.

Рис. 5.2. Типы сварных швов: а -встык без разделки кромок; б - встык с разделкой кромок и подваркой; в - угловой с разделкой кромок и подваркой; г - угловой без разделки кромок; д - тавровый односторонний без разделки; е - тавровый двусторонний с разделкой кромок.
Листы свариваются между собой, образуя полотнища. Балки привариваются к полотнищам, образуя перекрытия.
Наиболее часто расположенные балки перекрытий называют балками главного направления. Балки перекрытия, сравнительно редко расположенные и перпендикулярные балкам главного направления, называют перекрестными связями. Перекрестные связи поддерживают балки главного направления, поэтому они выше и через них проходят балки главного направления.

Рис. 5.3. Судовые перекрытия
1 - балки главного направления; 2 - днищевое перекрытие; 3 - перекрестные связи; 4 - переборка; 5 - пластина.

Рис. 5.4. Системы набора перекрытий: а - поперечная; б - продольная; в - клетчатая.
В зависимости от положения в корпусе судна различают перекрытия: палубы, бортов, днища, переборок. 11ерекрытия на судне взаимонесущис, так как опираются друг на друга. В зависимости от ориентации балок главного направления различают систему набора судовых перекрытий. Если на перекрытии балки главного направления расположены вдоль судна, то такое перекрытие набрано по продольной системе набора. Если балки главного направления идут поперек судна, то это перекрытие - по поперечной системе набора. Говорить о системе набора перекрытий поперечных переборок нет смысла. При вертикальном расположении балок главного направления на поперечных переборках - переборки с (вертикальными) стойками, а при горизонтальном - с горизонтальными ребрами жесткости. В некоторых случаях расстояние между взаимно перпендикулярными балками перекрытия может быть примерно равным. В этом случае говорят, что перекрытие имеет клетчатую систему набора (например: двойное дно в районе МО...).

Система набора судна

Если все перекрытия корпуса судна имеют поперечную систему набора, то и корпус судна следует считать набранным по поперечной системе набора (рис.5.5).
Если все перекрытия корпуса в средней части имеют продольную систему набора, то и корпус судна имеет продольную систему набора (рис. 5.6.).
Если часть перекрытий корпуса (обычно палуба и днище в средней части) набраны по продольной системе, а часть (обычно борта и вторая палуба) - по поперечной системе набора, то это судно имеет смешанную систему набора (рис. 5.7, 5.8).

Рис. 5.5. Поперечная система набора корпуса судна без двойного дна
1 - обшивка днища; 2 - голубница; 3 - киль вертикальный; 4 - киль горизонтальный; 5 - ребро жесткости флора; 6 - стрингер днищевой; 7 - лаз; 8 - флор сплошной; 9 - кница скуловая; 10 - стрингер бортовой; 11 - шпангоут трюмный; 12 - лист накладной; 13 - шпангоут рамный трюмный; 14 - бимсовая кница; 15 - полубимс; 16 - фальшборт; 17 - стойка фальшборта; 18 - концевой бимс; 19 - планширь; 20 - бимс; 21 - переборка поперечная; 22 - карлингс; 23 - настил верхней палубы; 24 - комингс люка поперечный; 25 - ребро жесткости комингса; 26 - лист вварной утолщенный; 27 - стойка переборки рамная; 28 - стойка переборки; 29 - стрингер палубный; 30 - ширстрек; 31 - обшивка борта; 32 - лист скуловой обшивки; 33 - стойка доковая; 34 - бракета; 35 - контрофорс; 36 - пиллерс; 37 - комингс люка продольный

Рис. 5.6. Продольная система набора корпуса танкера
1 - рамный бимс; 2 - продольная подпалубная балка; 3 - настил верхней палубы; 4 - карлингс; 5 - ребро жесткости; 6 - карлингс; 7 - переборка поперечная; 8 - переборка продольная; 9 - кница; 10 - бимс рамный; 11 - стойка переборки; 12 - кница; 13 - карлингс; 14 - скругленный ширстрек; 15 - обшивка борта; 16 - продольная балка переборки; 17 - шельф; 18 - продольная балка борта; 19 - рамная стойка переборки; 20 - настил второго дна; 21 - голубница; 22 - обшивка днища; 23 - ребро жесткости; 24 - стрингер днищевой; 25 - киль горизонтальный; 26 - киль вертикальный; 27 - ребро жесткости флора; 28 - лаз; 29 - днищевая продольная балка; 30 - флор сплошной; 31 - ребро жесткости днищевого стрингера; 32 - днищевой стрингер; 33 - продольная балка второго дна; 34 - лист скуловой обшивки; 35 - поясок; 36 - распорка; 37 - шпангоут рамный; 38 - доковая стойка переборки.

Рис. 5.7. Поперечный разрез сухогрузного судна при смешанной системе набора
1 - планширь; 2 - стойка фальшборта; 3 - полоса ватервейса; 4 - бимс рамный; 5 - настил палубы; 6 - карлингс; 7 - продольная подпалубная балка; 8 - комингс люка; 9 - пиллерс; 10 - бимс концевой; 11 - стойка переборки; 12 - переборка непроницаемая; 13 - настил второго дна; 14 - киль вертикальный; 15 - киль горизонтальный; 16 - стрингер днищевой; 17 - обшивка наружная днищевая; 18 - флор; 19 - лист крайний междудонный; 20 - киль скуловой; 21 - пояс обшивки скуловой; 22 - шпангоут трюмный; 23 - бимс второй палубы; 24 - обшивка наружная; 25 - шпангоут твиндечный; 26 - кница бимсовая; 27 - ширстрек; 28 - угольник стрингерный; 29 - фальшборт.

Рис. 5.8. Мидель шпангоут танкера по смешанной системе набора с двойными бортами и с двойным дном (справа показано сечение по рамным связям)
1 - рамная стойка продольной переборки; 2 - продольная гофрированная переборка; 3 - рамный бимс; 4 - продольная подпалубная балка; 5 - карлингс; 6 - бимсовая кница; 7 - скругленный ширстрек; 8 - бракета; 9 - шпангоут; 10 - распорка; 11 - стойка второго борта; 12 - бракета; 13 - скуловой киль; 14 - продольная днищевая балка; 15 - продольная балка второго дна; 16 - флор; 17 - коробчатый киль; 18 - бракета.
Поперечная система набора имеет ряд преимуществ: мощные балки -перекрестные связи не загромождают грузовые и другие помещения, борт при поперечной системе набора лучше воспринимает нагрузку от контактов с причалом и льдами, так как воспринимаются усилия большим количеством балок.
Поперечная система набора более технологична при постройке судна, так как балки сравнительно короткие и упрощена их установка. В то же время при поперечной системе набора требуется больше металла для обеспечения общей прочности судна при длине его более 100м. Поэтому суда длиной от 100м до 170 выполняют по смешанной системе набора. При этой системе набора наиболее полно участвуют в общем изгибе не только листы палубы и днища, но и большое количество балок главного направления палубы и днища, расположенных вдоль судна; при этом также увеличивается устойчивость листов палубы и днища при сжатии.
При длине судна более 170м все перекрытия (кроме оконечностей) делают по продольной системе набора. Продольная система загромождает грузовые помещения мощными балками, сложна технологически (продольные балки главного направления необходимо протягивать через переборки и поперечные связи вдоль всего судна), но обеспечивает уменьшение веса корпуса для судов длиной более 170м. Поэтому и применяют эту систему на судах большой длины.

Системы набора двойного дна

При поперечной системе набора двойного дна балками главного направления являются флоры, устанавливаемые на каждом шпангоуте. Перекрестными связями являются: вертикальный киль и стрингеры (рис.5.9. а).
При продольной системе набора двойного дна балками главного направления являются продольные ребра жесткости (балки) днища и второго дна, а перекрестными связями флоры, которые устанавливаются через три -четыре шпации (рис. 5.9. б).

Рис. 5.9. Конструкция днищевого перекрытия с двойным дном: а - поперечная система набора; б - продольная система набора
1 - днищевая обшивка; 2 - ребро жесткости флора; 3 - флор проницаемый; 4 - вертикальный киль; 5 - горизонтальный киль; 6 - стрингер днищевой проницаемый; 7 - настил второго дна; 8 - флор непроницаемый; 9 - скуловая кница; 10 - стрингер скуловой непроницаемый (крайний междудонный лист); 11 - продольная балка второго дна; 12 - продольная днищевая балка.

Виды флоров

Флоры устанавливаются на каждом шпангоуте при поперечной системе набора, а при продольной системе набора днища - флоры устанавливаются через 3-4 шпации. Водонепроницаемые флоры, вертикальный киль и стрингеры служат для образования отдельных цистерн в двойном дне. В случае отсутствия повышенных нагрузок на двойное дно, в средней части судна сплошные флоры могут устанавливаться через 2 - 4 шпации, в промежутке между ними устанавливаются бракетные или облегченные флоры. (Сплошные флоры вырезаны из цельного листа и могут иметь лазы и отверстия для протока жидкостей и воздуха).

Рис. 5.10. Виды флоров: а - сплошной проницаемый; б - сплошной непроницаемый; в - открытый бракетный; г - открытый облегченыый
1 - сплошной флор; 2 - ребра жесткости; 3 - непроницаемый флор, 4 - бракета; 5 - верхняя балка; 6 - нижняя балка.

Системы набора борта

При поперечной системе набора балками главного направления являются шпангоуты, а перекрестными связями бортовые стрингеры, (рис.5.11. а) Расстояние между шпангоутами называется шпацией. При продольной системе набора балками главного направления являются
продольные бортовые балки, а перекрестными связями - рамные шпангоуты (рис. 5.11.6)

Рис. 5.11. Бортовые перекрытия: а - поперечная система набора, б - продольная система набора
1 - обшивка борта; 2 - шпангоут; 3 - бортовой стрингер; 4 - рамный шпангоут; 5 - бортовая продольная балка; 6 - палуба.

Системы набора палубы

При поперечной системе набора балками главного направления являются бимсы, a перекрестными связями - карлингсы. (рис. 5.12. а, 5.13, 5.14)
При продольной системе набооа балками главного направления являются продольные подпалубные балки, а перекрестными связями - рамные бимсы. (рис. 5.13. б)

Рис. 5.12. Конструктивные схемы палубного набора: а - при поперечной системе; б - при продольной системе
1 - поперечная переборкf; 2 - борт; 3 - карлингс; 4 - концевой бимс; 5 - полубимс; 6 - продольная надпалубная балка; 7 - пиллерс

Рис. 5.13. Конструктивные элементы палубного перекрытия
1 - бимс; 2 - карлингс; 3 - палубный настил; 4 - бимсовая кница; 5 - пиллерс

Рис. 5.14. Набор в районе грузового люка (схема и вид изнутри грузового трюма)
1 - настил палубный; 2 - полубимс; 3 - продольный комингс; 4 - поперечный комингс; 5 - продольная полупереборка; 6 - бимс концевой.

Ледовые подкрепления корпуса

У судов ледового плавания увеличивается прочность борта в зоне от 0,5м выше зимней ватерлинии до 0,5м ниже балластной ватерлинии. С этой целью в зоне подкреплений между основными шпангоутами устанавливаются меньшего профиля промежуточные шпангоуты. Увеличивается профиль основных шпангоутов, увеличивается толщина бортовой обшивки в зоне подкреплений, устанавливают бортовые стрингеры и рамные шпангоуты.

Рис. 5.15. Подкрепление борта судов ледового плавания
1 - промежуточные шпангоуты; 2 - бортовой стрингер; 3 - основные шпангоуты.

Плоские переборки. Отбойные пенсбопки

Конструкция переборок со стойками показана на рис.5.16.
Если расстояние между бортами меньше расстояния между палубами или палубой и днищем, то ребра жесткости располагают горизонтально, что позволяет уменьшить массу балок.

Рис. 5.16. Конструкция поперечной переборки
1 - полотнище переборки; 2 - стойки; 3 - доковая стойка; 4 - кница; 5 - шельф; 6 - ребра жесткости.

Рис. 5.17. Конструкция кормы
1 - переборка ахтерпика; 2 - переборка отбойная; 3 - флор высокий; 4 - дейдвудная труба; 5 - пятка ахтерштевня; 6 - яблоко ахтерштевня; 7 - арка ахтерштевня; 8 - гельмпортовая труба; 9 - высокие флоры кормового подзора; 10 - настил верхней палубы; 11 - шпангоут поворотный; 12 - бимс веерный; 13 - платформа ахтерпика.
Такую конструкцию с горизонтальными ребрами жесткости обычно имеют пиковые переборки: к полотнищу переборки приварены горизонтальные ребра жесткости, концы которых закреплены кницами к ближайшему шпангоуту (рис.5.17).
При качке судна в частично заполненных цистернах возможно быстрое перемещение значительных масс жидкости, что может приводить к гидравлическим ударам, способным разрушить ограждающие конструкции Поэтому при значительных размерах танков устанавливаются отбойные переборки.
Отбойные переборки плоские переборки с отверстиями, через которые возможно медленное перетекание жидкости, но при этом гасится энергия быстрого перемещения значительных масс и поэтому предотвращаются гидравлические удары (рис.5.17.2).

Гофрированные переборки

Жесткость и прочность плоских переборок обеспечивается за счет приварки к листам балок. Жесткость и прочность гофрированных переборок обееггечивается формой листов (полотнищ), которая получается при штамповке на прессах. Большим преимуществом гофрированных переборок является то, что отпадает необходимость трудоёмкой приварки балок. Это позволяет снизить трудоемкость на 10-15%, а массу до 25%. Однако, возникают определенные сложности при стыковке частей этих переборок и при соединениях с другими конструкциями. Поперечные переборки выполняются с вертикальными гофрами, а продольные - с горизонтальными. Гофрированные переборки могут подкрепляться мощными рамами (для поперечных шельфы, а для продольных - рамные стойки). Форма гофр»- волнистая, трапециевидная и коробчатая (рис.5.18).

Рис. 5.18. Конструкция гофрированных переборок: а - с трапецевидным гофром; б - с волнистым гофром
1 - полотнище поперечной переборки; 2 - карлингс; 3 - полотнище продольной переборки; 4 - плоский участок переборки; 5 - обшивка борта; 6 - рамная стойка переборки; 7 - флор; 8 - обшивка днища; 9 - продольная днищевая балка; 10 - бортовая продольная балка; 11 - шпангоут рамный; 12 - стрингер бортовой; 13 - бимс рамный; 14 - шпангоут; 15 - шельф; 16 - настил палубы.

Наружная обшивка

Наружная обшивка служит для обеспечения непроницаемости и прочности корпуса. Наружная обшивка образована поясьями, расположенными вдоль судна. 11оясья состоят из стальных листов, длинной стороной расположенных обычно вдоль судна. Соединение поясьев между собой называется пазом а соединение листов в поясе (расположенное поперек судна) называется стыком К оконечностям обычно толщины листов уменьшаются (за исключением местных подкреплений). Горизонтальный киль толще днищевой обшивки листы ширчггрека толще листов борта -на 30%. В процессе эксплуатации необходимо вести учет повреждениям, вмятинам, износу и заменам листов обшивки. Вес это выполняется на чертеже "Растяжка наружной обшивки". На этом чертеже изображены все листы обшивки с примыкающими конструкциями. Причем ширина листов (но шпангоуту) выполняется в масштабе, а длина и форма листов искажается (для совмещения с плоскостью чертежа).

Рис. 5.19. Растяжка наружной обшивки

Фальшборт. Леерное ограждение


Рис. 5.20. Ограждение палуб: а - общий вид; б - фальшборт
1 - фальшборт верхней палубы; 2 - волноотбойник; 3 - леерное ограждение; 4 - фальшборт бака; 5 - козырек; 6 - палуба бака; 7 - брештук; 8 - форштевень; 9 - верхняя палуба; 10 - бимсы бака; 11 - якорный клюз; 12 - карлингс; 13 - ценная труба; 14 - шпангоут; 15 - цепной ящик; 16 - комингс люка; 17 - платформа; 18 - таранная (форпиковая) переборка; 19 - планширь; 20 - лист фальшборта; 21 - стойка; 22 - ребро жесткости.
Фальшборт и леерпое ограждение предназначены для предотвращения падения людей за борт. Фальшборт также уменьшает количество воды, попадающей на палубу при волнении и качке. Высота фальшборта и леерного ограждения обычно от 800 до 1500 мм в зависимости от размеров и назначения судна. Между нижней кромкой фальшборта и верхней кромкой ширстрека имеется просвет 100-200мм. Этот вырез являегся длинным штормовым портиком, через который вода, попавшая на палубу, сливается за борт. Благодаря тому, что фальшборт не связан жестко с ширстреком, напряжения от изгиба корпуса не передаются фальшборту и фальшборт не разрушается.

Привальный брус. Скуловые кили


Рис. 5.21 Привальные брусья: а - стальной; б - деревянный; в - резиновый
1 - палубный стрингер; 2 - бракета; 3 - ширстрек; 4 - металлическая коробка; 5 - крупные шурупы или гвозди; 6 - стальная полоса; 7 - деревянный брус; 8 - проушина (обух); 9 - крепежный болт с гайками; 10 - резиновый брус (l=1000-1200мм).
Привальный брус оггужит для предотвращения повреждения конструкций судна при швартовке. Чаще всего привальные брусья устанавливают на портовых судах в 1-2 ряда на борту, а иногда и в 1 ряд на надстройке.
Скуловые кили служат для уменьшения амплитуды бортовой качки. Кили устанавливают так, чтобы они не выступали за габариты корпуса. Протяженность килей до 0,5L, высота - от 150 до 1300мм. Так как скуловые кили довольно часто повреждаются, то конструкция их крепления должна быть такой, чтобы при их гговреждении не повреждалась наружная обшивка.

Рис. 5.22 Скуловые кили: а - место установки; б - двухслойный киль; в - киль с гребенчатой кромкой; г - киль с подкрепляющей полосой.

Подкрепления оконечностей. Форштевень и ахтерштевень

Носовую и кормовую оконечность корпуса судна ограничивают и подкрепляют форштевень и ахтерштевень соответственно. Форштевень и ахтерштевень (рис. 5.23, 5.24) соединены с помощью сварки с наружной обшивкой, с вертикальным и горизонтальным килем, высокими флорами, бортовыми стрингерами, платформами. Таким образом, образуется мощная конструкция, способная воспринять существенные нагрузки, возникающие в процессе эксплуатации судна (удары о лёд, плавающие предметы, касание причала и других судов, нагрузки от работающего винта и т. д.).
Так как носовая и кормовая оконечности судна испытывают значительные дополнительные нагрузки от ударов волн и др., эти районы судна подкрепляют за счёт уменьшения шпации, дополнительных бортовых и днищевых стрингеров, платформ, высоких флоров, рамных шпангоутов.

Рис. 5.23 Форштевень сварной
1 - брештук; 2 - продольное ребро жесткости.


Рис. 5.24 Ахтерштевень одновинтового судна
1 - старнпост; 2 - яблоко; 3 - подошва; 4 - пятка; 5 - рудерпост; 6 - петля руля; 7 - окно; 8 - арка.