Капитану о прочности корпуса судна (Максимаджи А.И.) - часть 10

 

  Главная      Учебники - Разные     Капитану о прочности корпуса судна: справочник (Максимаджи А.И.) - 1988 год

 

поиск по сайту            правообладателям  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

содержание   ..  8  9  10  11   ..

 

 

Капитану о прочности корпуса судна (Максимаджи А.И.) - часть 10

 

 

на ось у

,

z

)

/

2

(

a

,

0

a

,

)

L

/

100

(

2

.

0

a

0

2

y

y

3

/

1

cy

θ

τ

π

θ

θ

ψ

=

=

=

    (3. 37)

     на ось z

,

y

)

/

2

(

a

,

x

)

/

2

(

a

,

g

)

L

/

100

(

2

.

0

a

0

2

z

0

2

z

3

/

1

cz

θ

τ

π

ψ

τ

π

ϕ

θ

θ

ψ

ψ

=

=

=

(3.

 38)

где  x

о

,y

о

,z

o

  —  отстояние  рас-

сматриваемой точки (ЦТ
груза),  в  метрах,  от  соответственно  поперечной,  вертикальной  и
горизонтальной  плоскостей,  проведенных  через  ЦТ  судна  в
состоянии покоя 

( рис. 3.44)

.

Используя  приведенные  зависимости,  определяют  усилия,

действующие на груз с учетом сил инерции.

Перевозка  тяжеловесных  грузов  в  закрытых  помещениях.

Нагрузка от штучного груза на палубы, платформы, настил второго
дна составит в килонью-
тонах

[

]

2

z

2

z

2

cz

z

a

4

.

0

a

a

)

g

/

1

(

1

Mg

P

θ

ψ

+

+

+

=

,               (3.39)

где М—масса  груза,  т;  g—ускорение  свободного  падения,  м/с

2

;  a

iz

проекции  ускорений  при  качке  на  направление  вертикальной  оси
судна, м/с

2

 [ см. формулы

 (3. 38)

].

При определении суммарной  расчетной  нагрузки  на  перекрытие

следует учитывать все расположенные на нем грузы.

Нагрузка  от  сил  инерции,  стремящаяся  сдвинуть  груз  в

горизонтальной  плоскости  в  направлении  осей  х  и  у,  составит  (в
килоньютонах)

,

)

sin

g

a

(

a

M

P

2

x

2

cx

x

ψ

ψ

+

+

=

                    (3.40)

.

)

sin

g

a

(

a

M

P

2

y

2

cy

y

θ

θ

+

+

=

                      (3.41)

 Наибольшая  нагрузка  от  сил  инерции,  стремящаяся  сдвинуть  груз

(в килоньютонах),

,

P

4

.

0

P

P

2

x

2

y

Г

+

=

                                  

  (3.42)

 147

Рис. 3.44. Координаты ЦТ

груза.

1—ЦТ судна; 2—ЦТ груза. Пло-

скости: 3—поперечная; 4—гори-

зонтальная; 5—вертикальная.

где  Р

x

 

и  Р

у

  —  составляющие  инерционной  нагрузки  по

формулам 

(3.40)

 и 

(3.41)

а коэффициент 0,4 учитывает

разновременность появления их максимумов.

При  расчетах  крепления  груза  в  закрытых  помещениях

можно  дополнительно  учитывать  наличие  сил  трения 

F

T

.

 

Эти

силы уменьшают горизонтальные составляющие сил инерции.
Сила  трения  пропорциональна  силе  нормального  давления
(без  учета  инерционных  составляющих)  с  коэффициентом
пропорциональности  k

T

,  зависящим  от  материала  трущихся

поверхностей (при сочетании материалов: дерево по дереву k

T

= 0, 4; сталь по дереву k

T

 r = 0, 2 — 0, 3; сталь по стали k

T

= 0, 15). В результате

F

Mgk

T

                                  (3.

 43)

Перевозка тяжеловесных грузов на открытой палубе. В

этом  случае  учитывается  статистическое  суммирование
нагрузки  от  сил  инерции,  ударов  волн  и  ветра.  Нагрузки  от
удара  волн  со  стороны  борта  в  направлении  осей  у  и  г
определяют (в килоньютонах) по формулам [21]:

[

]

,

cos

lh

2

/

h

/

r

2

g

F

ГР

ГР

2

y

θ

λ

π

ρ

+

=

 

(3.44)

 

[

]

,

sin

lh

2

/

h

/

r

2

g

F

ГР

ГР

2

z

θ

λ

π

ρ

+

=

 

(3.45)

где  ρ—  плотность  морской  воды,  т/м

3

;  r — полувысота

расчетной волны, м;

[

]

{

}

375

.

5

100

/

)

L

300

(

75

.

10

5

.

0

r

2

/

3

=

;

(3.46)

λ — длина расчетной волны, м;

λ=30 (r-1) ;                                  (3.47)

h

ГР

l—площадь  груза,  воспринимающая  удар  волны,  м

2

;

вычисляется 

как 

произведение 

высоты 

груза 

h

ГР

,

расположенного  ниже  гребня  волны  при  положении  судна
лагом к волне и с креном Θ в сторону набегающей волны 

(рис.

3.45)

, на длину груза l вдоль оси х.

Нагрузку  от  удара  волн,  действующую  вдоль  судна — в

направлении оси х, определяют (в килоньютонах) по формуле

Fx=k

д

ρgh

В

2

b,                       (3.48)

где k

д

 — коэффициент динамичности  (k

д

 ≈ 2);  h

в

=

= ra

v

a

x1

, — 0, 75z

1

 — высота столба воды в сечении х

1

, м;

148

h

B

 = h

ГР

 — высота стенки груза в сечении х

1

,

);

L

/

x

2

1

(

k

a

;

5

.

1

)

4

.

0

10

/

L

)(

L

/

8

.

0

(

a

1

1

x

1

x

3

v

=

+

+

=

υ

x

1

  —  отстояние  поперечной  стенки  груза  от  носового  или

кормового перпендикуляра, что меньше 

( рис. 3.46)

;

k

x1

 =1, 25, если x

1

измеряется от носового перпендикуляра,

k

x1

 =0, 85, если x

1

 измеряется от кормового перпендикуляра;

a

v

a

x1

 ≥ 1,15; z

1

 — отстояние по вертикали от КВЛ до уровня

открытой палубы в сечении с координатой x

1

 , м; b— ширина

груза, м.

Расчетные  нагрузки  (в  килоньютонах)  от  тяжеловесных

грузов  на  перекрытия  открытых  палуб  определяют
суммированием  нагрузок  от  сил  веса,  инерции  и  от  удара
волн  [см. формулы 

(3.39)

 и 

(3.45)

]. Учитывается также

коэффициент разновременности

Рис. 3.45. Определение расчетной высоты груза.

Рис. 3.46. Схема расположения тяжеловесного груза (все размеры в

метрах).

149

[ см. формулу 

(3.42)

]:

z

z

pz

F

4

.

0

P

P

+

=

.                        (3.49)

Суммарная  расчетная  нагрузка  на  перекрытие  открытых
палуб,  кроме  нагрузки  от  тяжеловесных  грузов,  должна
учитывать,  что  свободная  от  груза  часть  палубы  может  быть
залита  водой  с  высотой  столба  (в  метрах),  определяемой
формулой

1

1

x

v

B

z

75

.

0

a

ra

h

=

,                         (3.50)

где  значения 

1

1

x

v

z

,

a

,

a

,

r

  см.  в  расшифровке  к  формуле

(3.48).

При  вычислении  сдвигающих  усилий,  действующих  на

грузы,  расположенные  на  открытых  палубах,  учитывают
нагрузки  (в  килоньютонах)  от  сил  инерции,  ударов  волн  и
ветрового давления [ см. формулы 

(3.40)

(3.41)

(3.44)

(3.48)

].

Силы  трения  не  принимают  во  внимание,  так  как  при

смачивании трущихся поверхностей (заливание, атмосферные
осадки)  значения  коэффициента  трения  существенно
уменьшаются:

B

2

x

2

x

2

y

2

y

РГ

P

)

F

P

(

4

.

0

F

P

P

+

+

+

+

=

,       (3.51)

где  составляющую  от  давления  ветра  Р

в

  определяют  как

произведение  давления  ветра  (см.  приложение 2) на  площадь
силуэта груза.

П р и м е р   1 .  На  верхней  палубе  судна,  которое  имеет  следующие
характеристики: L = 134,5 м,  В= 19,7 м; D = 12 м; d= 8,15м; v =17 уз, класс
Регистра  СССР  КM✪ЛЗ;  необходимо  перевезти  тяжеловесный  груз  массой
145 т. Габариты груза l

x

 = 20 м; b

y

 = 4 м; h

гр

 = 3 м. Груз размещается у борта с

координатами  ЦТ:  x

о

=42  м;  у

о

=8,5  м;  z

о

=8,15  м.  Определить  нагрузку  на

палубу при качке на волнении.

Решение. 1. Находят расчетные амплитуды бортовой и килевой качки по

формулам 

(3.30)

 и 

(3.31)

. Для судна неограниченного района плавания φ = 1:

Θ =1 • (0,510 — 0,134) = 0,376 рад,
Ψ = 1 • (0,156 — 0,0536) = 0,102 рад.

2. Вычисляют расчетные периоды качки по формулам 

(3.33)

 и 

(3.34)

:

4

.

13

7

.

19

07

.

0

:

)

7

.

19

8

.

0

(

=

=

Θ

τ

 с,

[

]

05

.

7

)

4

.

0

134

.

0

)(

5

.

134

:

17

(

4

.

0

1

:

5

.

134

8

.

0

=

+

+

=

ψ

τ

с.

150

3. Определяют проекции составляющих ускорений на вертикальную ось

судна по формулам 

(3.38)

:

.

с

/

м

702

.

0

50

.

8

376

.

0

)

4

.

13

/

14

.

3

2

(

a

;

с

/

м

40

.

3

42

102

.

0

)

05

.

7

/

14

.

3

2

(

a

;

с

/

м

78

.

1

1

81

.

9

)

5

.

134

/

100

(

2

.

0

a

2

2

z

2

2

z

2

3

/

1

cz

=

=

=

=

=

=

Θ

ψ

4. Находят проекцию расчетного ускорения на вертикальную ось судна

[ см. формулу 

(3.35)

]:

2

2

2

2

z

с

/

м

86

.

3

702

.

0

4

.

0

40

.

3

78

.

1

a

=

+

+

=

5. Определяют по формуле (3.39) нагрузку на палубу от сил веса и сил

инерции:

1980

)

81

.

9

/

86

.

3

1

(

81

.

9

145

P

z

=

+

=

кН.

6. Вычисляют  дополнительную  нагрузку  от  ударов  волн  в  направлении

оси z по формуле 

(3.45)

Предварительно определяют параметры r по формуле

(3.46)

 и λ  по формуле (3.47):

[

]

{

}

.

kH

592

367

.

0

3

20

2

3

3

.

99

31

.

4

14

.

3

2

81

.

9

025

.

1

F

,

м

3

.

99

31

.

3

30

,

м

31

.

4

100

/

)

L

300

(

75

.

10

5

.

0

r

2

z

2

/

3

=





+

=

=

=

=

=

λ

7. Вычисляют расчетную нагрузку на палубу по формуле 

(3.49)

P

pz

 = 1980 + 0,4 • 592 = 2217 кН.

П р и м е р   2 .  Определить максимальное сдвигающее усилие для груза

М  = 50 т,  расположенного  на  второй  (закрытой)  палубе  судна,  имеющего
такие характеристики: L = 134,5 м; В = 19,7 м; D = 12 м; d= 8,15м, v =17 уз,
класс Регистра СССР КМ✪ЛЗ. Координаты ЦТ груза x

0

 = 42 м; у

0

 = 8,5 м ;

z

0

 = 5,15 м. Груз установлен на стальном поддоне.

Решение.  1.  Расчетные  амплитуды  и  периоды  качки  вычисляют  так  же,

как в п. 1 и 2 примера 1.

2. Определяют проекции ускорений на оси х и у по формулам 

(3.36)

 и

(3.37)

:

;

с

/

м

424

.

0

15

.

5

376

.

0

)

4

.

13

/

14

.

3

2

(

a

;

с

/

м

77

.

1

1

81

.

9

)

5

.

134

/

100

(

2

.

0

a

;

с

/

м

415

.

0

15

.

5

102

.

0

)

05

.

7

/

14

.

3

2

(

a

;

с

/

м

885

.

0

1

81

.

9

)

5

.

134

/

100

(

1

.

0

a

2

2

y

2

3

/

1

cy

2

2

x

2

3

/

1

cx

=

=

=

=

=

=

=

=

Θ

ψ

3.  Находят  нагрузки,  стремящиеся  сдвинуть  груз  в  горизонтальной

плоскости в направлении осей х и у, по формулам 

(3.40) 

и 

(3.41)

.

kH

220

)

367

.

0

81

.

9

424

.

0

(

77

.

1

50

P

;

kH

83

)

102

.

0

81

.

9

415

.

0

(

885

.

0

50

P

2

2

y

2

2

x

=

+

+

=

=

+

+

=

151

4. Вычисляют наибольшую нагрузку, стремящуюся сдвинуть груз в

горизонтальной плоскости, по формуле 

(3.42)

.

kH

226

83

4

.

0

220

P

2

2

Г

=

+

=

.

5. Определяют силу трения по формуле (3.43)

F

T 

=50 • 9,81 • 0,15= 74 кН.

6. Расчетная нагрузка, стремящаяся сдвинуть груз,

Р

р

=226-74=152 кН.

П р и м е р   3 .  Для судна и груза, по примеру 1, определить максимальное

сдвигающее усилие.

Решение. 1. Составляющие амплитуд и периодов качки определены в п. 1 и 2

примера 1 и в п. 2 примера 2.

2. Вычисляют нагрузки от сил инерции, действующие в направлении осей х и у, по

формулам 

(3.40)

 и 

(3.41)

. Величины а

ψх

 и 

θy

, полученные в п. 2 примера 2,

применительно к условиям примера 3 необходимо увеличить пропорционально от-
ношению координат z

0

 (8,15/5,15) = 1,58):

.

kH

670

)

367

.

0

81

.

9

670

.

0

(

77

.

1

145

P

;

kH

272

)

102

.

0

81

.

9

655

.

0

(

885

.

0

145

P

2

2

y

2

2

x

=

+

+

=

=

+

+

=

.

3. Определяют нагрузку от ударов волн в направлении оси у [ см. формулу

 (3.44)

а

также п. 6 примера 1]

kH

1500

93

.

0

3

20

2

3

3

.

99

31

.

4

14

.

3

2

81

.

9

025

.

1

P

2

y

=





+

=

.

4. Определяют нагрузку от удара волн в направлении оси х по формуле 

(3.48)

.

Предварительно вычисляют высоту столба воды h

в

 на палубе в сечении с координатой

1

 

(см. рис. 3.46)

.

м

3

.

6

1

.

4

75

.

0

02

.

1

13

.

2

31

.

4

h

;

02

.

1

)

5

.

134

25

.

12

2

1

(

25

.

1

a

;

13

.

2

5

.

1

)

4

.

0

134

.

0

(

5

.

134

17

8

.

0

a

B

x

v

=

=

=

=

=

+

+

=

Высота груза 

гр 

= 3 м < h

B

 поэтому в формуле 

(3.48) 

подставляют h

B

 = 3 м. Тогда

F

x

 = 2 • 1,025 • 9,81 • 3 • 3 • 4 = 724 кН.

5. Определяют ветровое давление Р

B

(по приложению 2). Принимают в качестве

расчетного максимально возможное давление ветра 1 кН/м

2

.

6. Вычисляют максимальное сдвигающее усилие по формуле 

(3.51)

.

kH

1794

4

20

1

)

724

272

(

4

.

0

)

1500

670

(

P

2

2

2

2

p

=

+

+

+

+

=

152

Г л а в а   4

ПРОЧНОСТЬ В УСЛОВИЯХ ЛЕДОВОГО ПЛАВАНИЯ

§ 16. Свойства льда

Физико-механические  характеристики  льда.  Обычно  в

природных  условиях  лед  представляет  собой  кристаллический
материал с произвольной ориентацией кристаллов. Прочность льда в
этом  случае  одинакова  по  всем  направлениям.  Если  по  каким-либо
причинам  возникает  преимущественная  ориентация  кристаллов,  то
лед  приобретает  анизотропные  свойства—оказывается  более
прочным в направлении преимущественной ориентации.

Нагрузки,  которые  может  вызвать  лед  при  взаимодействии  с

корпусом  судна,  ограничены  прочностью  льда,  существенно
зависящей  от  скорости  деформирования,  температуры  и  солености.
При  повышении  скорости  деформирования  прочность  льда
возрастает.  Качественные  закономерности,  отражающие  эту  за-
висимость, приведены на 

рис. 4.1

 [22].

С  изменением  скорости  деформирования  наряду  с  прочностью

меняются  и  другие  свойства  льда.  Так,  если  скорость
деформирования менее 10

-4 

1/с, лед проявляет пластические свойства,

а при скорости более 10

-2 

1/с он ведет себя как упругое тело. Имеются

данные о возникновении особых форм разрушения при существенно
более  высоких  скоростях  деформиро-
вания льда.

С 

понижением 

температуры

прочность  льда  увеличивается.   Это
свойство  обычно  проявляется  в  изме-
нении  прочности  по  толщине  ледяного
поля, 

которая 

уменьшается 

от

относительно    холодной      воздушной
кромки  по  направлению  к  кромке,
соприкасающейся с водой.

С повышением солености

153

Рис. 4.1. Зависимость прочности

льда от скорости деформирования

v

ε

.

Свойства льда: 1—пластические

(ползучесть); 2—упруго-пластические;

3—упруго-хрупкие; 4 — возможная

зависимость от ско-оости

деформирования

.

прочность  льда  уменьшается,  пресноводный  лед  оказывается
более  прочным,  чем  морской,  а  старый  многолетний  лед,
который  теряет  соленость  при  таянии  и  замерзании,  обычно
более  прочен,  чем  вновь  образовавшийся  морской  лед.
Характеристики  прочности  льда,  как  и  других  материалов,
являются  функцией  методов  их  измерения.  Основные  данные
относятся  к  испытаниям  образцов  при  одноосном  сжатии.
Физико-механические характеристики льда, определенные при
таких испытаниях, приведены в 

табл. 4.1

 [ 17].

Таблица 4.  Физико-механические характеристики льда

Характеристики льда, кН/м

2

Виды льда

Характер

нагрузки

Е

σ

c

σ

ρ

τ

ρ

Сжатие

3,25 •10

5

1225—2650

880—980

294

Соленый

океанский

Удар

2,95 • 10

6

3430—5890

880—980

Пресный

Сжатие

5,45 • 10

5

1470—3435

1180—1275

590

Удар

4,90 • 10

6

7850—9810

1180—1275

Примечания: Е—модуль нормальной упругости: σ

c

 — предел прочности

при местном смятии, раздроблении [обычно считают σ

c

 = — (2.5 ! 2,7) σ

co

,

где σ

co

 —предел прочности при одноосной сжатии, определенном на

стандартных образцах]; σ

p

 —предел прочности при изгибе; τ

ρ

 —предел

прочности на срез; μ— коэффициент Пуассона, μ = 0.34.

Разновидности  льда.  Морские  льды  классифицируют  по

динамическим,  морфологическим  и  возрастным  признакам
[18].  По  динамическим  признакам  они  делятся  на
неподвижные (припайные льды)  и подвижные (дрейфующие).
Припай  представляет  собой  сплошной  ледяной  покров,
располагающийся у берегов материка или островов. Дрейфую-
щий  лед,
  как  правило,  состоит  из  льдин  различной
протяженности  и  ледяных  полей,  размеры  которых  могут
достигать нескольких квадратных километров.  В  зависимости
от размеров льдин в плане различают мелкобитый (2—20 м) и
крупнобитый лед (20—100м).

154

Основные  характеристики  припайных  льдов:  толщина,

ширина  зоны  припая  к  берегу,  возраст,  соленость.
Дрейфующие  льды  характеризуются  сплоченностью  (баллы),
возрастом, толщиной и размерами отдельных льдин.

Возраст,  структура,  соленость  определяют  физико-

механические  свойства  льда  как  материала,  а  вместе  с
толщиной — его  прочность.  Эти  характеристики  об-
условливают  особенности  локального  взаимодействия  судна
со льдом, в том числе контактные усилия при ударе корпуса о
лед.

Геометрические 

параметры,  к 

которым 

относятся

сплоченность,  протяженность  и  толщина  льда,  определяют
механические  свойства  ледяного  покрова  в  целом  и
характеризуют ледовую ходкость.

Сплоченность 

обычно 

оценивается 

баллами 

(по

десятибалльной  шкале).  Сплоченность  10  баллов  со-
ответствует сплошному льду, 0 баллов—чистой воде 

(табл.

4.2)

.

Таблица 4.2. Шкала сплоченности дрейфующего льда

Спло-

чен-

ность,
баллы

Размер площади, занятой

дрейфующим льдом

Словесная характеристика

дрейфующего льда

0

Льда нет

Чистая вода

Площадь, занятая льдом, меньше

площади воды

1

в 9 раз

2

в 4 раза

Редкий лед

3

в 2—2,5 раза

4

в 1,5 раза

5

Разреженный лед

Площади, занятые льдом и водой,

равны

Площадь, занятая льдом, больше

площади воды

6

в 1,5 раза

7

в 2—2,5 раза

Сплоченный лед

8

в 4 раза

9

в 9 раз

Очень сплоченный

лед

Сплошной лед

10

Льдины полностью покрывают

видимую поверхность моря

155

Рис. 4.2. Разновидности льда: а—ледяное поле; б—смерзшийся лед; в — ледяная

каша; г — торосистый лед; д — паковый лед.

В  м о р ф о л о г и ч е с к о м   о т н о ш е н и и   льды  разделяются  на

ровный  лед  (ледяные  поля),  смерзшийся  лед  (подсов),  ледяную
кашу ( ропак), торосистый лед — гряда 

( рис. 4.2).

Основными  параметрами  ледяных  полей  являются  толщина,

прочность,  степень  снежного  покрытия.  Смерзшийся  лед,
состоящий  из  отдельных  небольших  льдин  и  ледяных  полей,
спаянных  между  собой  вна-хлест,  характеризуется  толщиной  и
размерами смерзшихся льдин. Ледяная каша, которая образуется в
результате  разрушения  льда,  характеризуется  соотношением
входящих  в  нее  компонентов  (крошки,  льдины)  и  суммарной
толщиной.  Торосистые  гряды,  образующиеся  в  результате
разрушения ледяных полей, состоят из нагромождения льдин. Они
характеризуются формой, особенно высотой и шириной, толщиной
снежного  покрова  и  состоянием  льда.  Особым  видом  торосов
является  паковый  лед,  представляющий  массовое  нагромождение
многолетних  смерзшихся  (особенно  в  нижних  частях)  льдин.
Параметры пакового льда: общая толщина, размеры составляющих
льдин,  их  возраст  и  степень  спрессованности  и  смерзания.
Торосистость оценивают по пятибалльной шкале в зависимости от
доли площади льда, покрытой торосами. Один балл отвечает 20 %
площади  льда,  покрытой  торосами.  Торосистость 5 баллов  ха-
рактеризует лед, полностью состоящий из торосов.

156

Различные  морфологические  виды  льда  встречаются  в  любом
сочетании.

Важной  дополнительной  характеристикой  плавающего  льда

является  его  динамическое  состояние  (внутреннее  напряжение  в
полях, перемещение одних полей относительно других), вызванное
ветром и течениями.

Льды  также  различают  п о  

в о з р а с т у :  свежие,

ниласовые (их толщина менее 10  см),  серые  (толщина  10—30  см),
белые (30—70 см).  Выделяют  однолетний  (толщина  1,0—2,1  м),
двухлетний и многолетний (толщиной более 2,5 м) лед.

§ 17. Ледовые нагрузки

Сопротивление  льда. В  свободной  воде  при  малых  скоростях

характер  движения  судна  мало  зависит  от  формы  корпуса,  а  само
движение  может  быть  вызвано  сколь  угодно  малыми  силами.  Во
льдах,  чтобы  начать  движение,  судно  должно  предварительно
преодолеть  сопротивление  льда,  которое  зависит  не  только  от
окружающей  ледовой  обстановки,  но  также  и  от  формы  корпуса.
Кроме  того,  скорость  движения  в  этом  случае  ограничивается
прочностью обшивки и набора.

Обобщенно  соответствующие  свойства  судна  определяют  как

льдопроходимость,  под  которой  понимают  способность  судна  в
определенных  ледовых  условиях  развивать  наибольшую  скорость
(ледовая ходкость) без повреждений корпуса (ледовая прочность).

Качественное различие условий движения на свободной воде и

во льдах видно на схемах 

рис. 4.3 

[30]. На рис

4.3, а

 показано

соотношение  между  скоростью  движения  и  необходимыми  для  ее
обеспечения  усилиями  на  свободной  воде.  Граничные  линии
определяют  соответственно  движение  вперед  и  в  поперечном
направлении. На рис

4.3, 6 

приведены те же соотношения, но для

случая  движения  во  льдах.  Граничная  линия  относится,  как  и  на
рис

4.3, а,

 к случаю движения вперед в свободной воде. Начальное

усилие,  необходимое  для  преодоления  сопротивления  льда
(нулевая  скорость),  может  достигать  произвольно  больших
величин,  зависящих  от  окружающих  условий,  формы  судна  и
направления движения.

157

Рис. 4.

 

3. Соотношение " усилие Р — скорость " : a -

свободная вода; б—движение во льдах.

1—поперечное направление; 2—направление „вперед".

Транспортные  суда  в  ледовых  условиях  выполняют

следующие  маневры:  непрерывное  прямолинейное  движение
во льдах различного вида; циркуляцию при движении вперед;
движение  вперед  и  задним  ходом  в  пробитом  канале;
ограниченный поворот в канале при движении задним ходом;
пробивание 

канала 

во 

льду 

набегами. 

Для

специализированных  судов  (ледоколов,  исследовательских
судов  и  т.  п.)  характерны  более  сложные  режимы  движения,
которые здесь не рассматриваются.

Движение  во  льдах  только  частично  контролируется

постоянным  сопротивлением.  Важное  значение  имеет
изменение  сопротивления  в  зависимости  от  пройденного
судном  расстояния  в  различных  ледовых  условиях.  Эта
составляющая  сопротивления,  от  которой  в  значительной
степени  зависят  нагрузки  на  корпус,  определяется  формой
обводов судна, размерами обламываемого льда, трением  льда
о  наружную  обшивку,  а  также  перемещением  раздробленных
его частей.

На 

рис. 4.4—4.6

 показано качественное изменение усилий

Р  в  зависимости  от  пройденного  судном  расстояния  l,
морфологии льда и формы обводов корпуса.

Суммируя  данные,  представленные  на  этих  рисунках,

можно сделать некоторые общие выводы;

в ровном гладком льду нагрузки на корпус уменьшаются с

ростом наклона стенок;

в  смерзшемся  льду  начальные  нагрузки  мало  зависят  от

угла 

наклона 

стенок, 

однако 

предельные 

нагрузки

уменьшаются с возрастанием наклона;

158

Рис. 4.4. Зависимость усилии от пройденного судном расстояния при

вертикальных обводах корпуса и различной морфологии льда: а—

ледяное поле; б—смерзшийся лед; в—ледяная каша;

г—торосистый и паковый льды.

Рис. 4.5. Зависимость усилий от пройденного судном расстояния при

слабо наклонных обводах и различной морфологии льда: а— ледяное

поле; б—смерзшийся лед; в—ледяная каша; г—торосистый лед; б—

паковый лед.

159

Рис. 4.6. Зависимость усилий от пройденного судном расстояния при

пологих обводах и различной морфологии льда: a—ледяное поле; б—

смерзшийся лед; в—ледяная каша; г—торосистый лед; д — паковый

лед.

в  ледяной  каше  угол  наклона  стенок  оказывает

небольшое  влияние  на  нагрузки  вследствие  возникновения
явления запруживания.

В  торосах  и  паковых  льдах  увеличение  наклона  стенок

может  существенно  снизить  нагрузки  на  корпус.
Скольжение по стенке больших льдин, не покрытых снегом,
наблюдается уже при углах наклона стенок примерно 5—6°,
а  для  льдин,  покрытых  снегом,  при  15—20°.  Нагрузки  на
корпус,  помимо  создаваемых  наклоном  стенок  сечений,
существенно  зависят  от  формы  ватерлинии.  Форма
ватерлиний определяет, в частности, параметры циркуляции
и  необходимые  усилия  для  маневрирования.  Последние
имеют  большое  значение,  так  как  обусловливают  давление
между  судном  и  льдом.  Лучшая  маневренность  во  льдах  и
относительно меньшие нагрузки на корпус отвечают острым
судам  с  овальной  формой  ватерлиний,  а  относительно
худшая  маневренность  и  большие  нагрузки — полным
судам с длинными цилиндрическими вставками.

160

Факторы,  влияющие  на  ледовые  нагрузки.  Нагрузки,

действующие на корпус судна, плавающего во льдах, зависят
от свойств  льда, ледовых  условий, характера взаимодействия
судна  со  льдом,  формы  его  корпуса  и,  наконец,  от
особенностей 

управления 

судном, 

включая 

степень

допускаемого риска. Уровень знаний о нагрузках, вызванных
действием льда, позволяет сформулировать только некоторые
общие положения, определяющие апробированные практикой
коэффициенты безопасности.

Ледовые нагрузки, безусловно, являются случайными. Для

полного  описания  их  вероятностных  характеристик  данных
пока  еще  недостаточно.  Поэтому  при  оценке  ледовой
прочности  приходится  исходить  из  идеализированной  схемы
нагружения  корпуса.  В  состав  этой  схемы  включаются:
расчетная  интенсивность  нагрузки,  распределение  ее  по  вер-
тикали и длине судна, а также изменение во времени.

Следует  отметить  неоднозначность  имеющихся  подходов

к оценке ледовых нагрузок. В частности, в Правилах Регистра
СССР  за  основу  берется  случай  соударения  корпуса  судна  с
кромкой  ледового  канала  в  равномерном  ледяном  поле  [17].
Эта схема используется  и при разработке  ледовых паспортов
судов арктического плавания 

( см. § 18)

.

В  зарубежной  практике [22] расчетную  интенсивность

нагрузки  определяют,  используя  две  группы  факторов:
физические  свойства  льда,  включая  эффекты  объемности  и
скорости  деформирования;  особенности  взаимодействия
между  корпусом  и  льдом.  Обе  эти  группы  не  полностью
независимы,  поскольку  объемность  и  скорость  обусловлены
условиями взаимодействия корпуса со льдом.

Приближенная  оценка  интенсивности  ледовой  на-

грузки.  Отправной  точкой  для  такой  оценки  интенсивности
ледовой  нагрузки  может  служить  прочность  льда  на  смятие,
как  наиболее  исследованная  его  характеристика.  Если
рассматривать  только  океанский  лед  и  для  простоты
оценивать  температурные  режимы  сезоном  плавания,  то
можно ориентироваться на средние цифры σ

с

, приведенные в

табл. 4.3 

[22].

Прочность  льда  при  объемном  напряженном  состоянии

может характеризоваться протяженностью

16 1

контакта  с  корпусом.  Полагая,
что степень объемности должна
в  первую  очередь  зависеть  от

толщины  льда,соответствующий
коэффициент      k

h

  представим  в

виде k

h 

==  h+ 0, 5;   1  ≤  k

h

 ≤ 3,

где 

h—толщина 

льда, 

м.

Влияние 

скорости 

Де-

формирования  при 

высоких

скоростях, 

которые

представляют   интерес, изучено
недостаточно.

Однако  имеются  данные,  что  эффективная  прочность  льда  на
смятие  при  высоких  скоростях  существенно  возрастает  по
сравнению  с  прочностью  на  смятие  в  номинальном  хрупком
диапазоне  скоростей  деформирования,  которому  отвечают
цифры, приведенные в 

табл. 4.3

В отечественной практике

этот  фактор  обычно  оценивают  прямым  расчетом.  Для
приближенных  прикидок  коэффициент  k

v

  принимают [22]

постоянным  и  равным  1,2—1,4.  В  результате  ожидаемая
интенсивность  ледовой  нагрузки  может  быть  приближенно
представлена в виде

,

k

k

)

t

,

T

(

p

v

h

c

σ

=

где σ

с

—прочность на смятие; Т—возраст льда; t— температура;

k

h

коэффициент  объемности;  k

v

коэффициент  скорости

деформирования.

Максимальная  протяженность  нагрузок  по  высоте  в

главном зависит от толщины льда. Толщина гладкого ледового
поля  редко  лимитирует  ледовые  нагрузки.  Наиболее  тяжелые
условия  возникают  в  торосистом  и  паковом  льдах.  В  этом
случае  эффективная  толщина  льда  h

э

  может  быть  определена

как произведение средней его толщины h

ср

 на коэффициент k

т

,

учитывающий степень «холмистости» торосов (h

э

 = h

cp

k

т

). При

балльности  торосов,  равной  единице,  принимают  k

т

=1,  а  при

балльности, равной пяти, k

т 

== 2,5. Коэффициент k

т

 == 0,625+

0.375Б,  где  Б — число  баллов  торосистости.  О  более  точном
методе учета этого фактора 

см. § 18

.

Горизонтальную протяженность нагрузки описать

162

Таблица 4.3. Осевая прочность льда

на смятие (средние значения)

σ

c

 , H/мм

2

Тип льда

Зима

Лето

Паковый

2,

 

8

1,

 

9

Многолетний

2,

 

1

1,

 

7

Первого года

    1,8

1,

 

4

 

 

 

 

 

 

 

содержание   ..  8  9  10  11   ..