Теория проектирования судов

Длительная работа по созданию судна состоит из двух основных частей: разработки проекта судна и его постройки.

Разработка проекта начинается с определения желаемых эксплуатационно-экономических показателей судна (назначение, грузоподъемность, скорость, район плавания и т.п.). Установленные таким образом требования к будущему судну, называемые характеристиками оформляются в виде задания на разработку проекта. В процессе проектирования по условиям задания определяются его элементы (размеры и обводы корпуса, состав и расположение помещений, тип и мощность главных двигателей и т.п.). Все фазы проектирования судна, начиная от выявления потребности в нем и до оформления рабочей документации на его изготовление, базируются на научно-методическом аппарате теории проектирования судов (ТПС) – дисциплины, изучающей круг вопросов, связанных с разработкой заданий на проектирование судов и определением их элементов, в первую очередь размеров и формы корпуса.

В современном состоянии ТПС состоит из двух частей и рассматривает задачи двух иерархических уровней (табл. 1).

Основные задачи теории проектирования судов

таблица 1

К первой, содержательной части ТПС, занимающейся исследованием физической стороны проектных задач, относятся следующие вопросы:

- выявление взаимосвязи элементов и характеристик с техническими, эксплуатационными и экономическими требованиями, предъявляемыми к судну;

- разработка методик проектирования;

- разработка методов построения теоретического чертежа и схемы общего расположения судна.

Вторая, формально-математическая часть ТПС, занимается поиском математических способов решения проектных задач, в частности автоматизацией проектных расчетов.

Задачи верхнего уровня или внешняя задача ТПС заключается в разработке вопросов, связанных с определением характеристик проектируемых судов, которые указываются в задании на проектирование, а также установлении общих требований, предъявляемых к проектируемым судам.

Задачи нижнего уровня или внутренняя задача ТПС заключается в определении элементов проектируемого судна.

Внутреннюю задачу содержательной части подразделяют еще на два уровня: верхний, связанный с определением основных элементов (главных размерений и коэффициентов полноты) и нижний, на котором решаются вопросы архитектурно-конструктивного оформления проекта, оборудования и общего расположения.

Поскольку результаты проектирования должны не просто удовлетворять требованиям задания, но удовлетворять наилучшим образом, под характеристиками и элементами следует понимать их оптимальные значения. Таким образом, можно сказать, что целью решения внешней задачи ТПС является оптимизация состава флота и разработка общих требований к судам, а внутренней задачи – оптимизация элементов судна.

ТПС тесно связана с другими судостроительными дисциплинами, в основном с теорией и строительной механикой корабля. Меньше – с технологией и экономикой судостроения и другими дисциплинами. В ТПС используется научный аппарат этих дисциплин, при рассмотрении вопросов, связанных с остойчивостью, качкой, ходкостью, прочностью проектируемого судна. Но в отличие от названных дисциплин этот аппарат используется исходя из других позиций. Это обусловлено двумя важнейшими особенностями ТПС:

Во-первых, в ТПС решаются не прямые задачи, а обратные . Например, если в теории корабля при известных размерениях судна следует определить параметры остойчивости, то в ТПС задача ставится следующим образом – найти такие размерения судна, которые бы обеспечили заданные параметры остойчивости.

Во-вторых, в отличие от остальных дисциплин, рассматривающих свойства судна по отдельности, вне связи друг с другом, для ТПС характерен комплексный подход к показателям проектируемого судна. Следует учитывать, как изменение того или иного показателя скажется на прочих характеристиках судна. Так увеличение длины L благоприятно сказывается на ходкости, но отрицательно отражается на прочности судна. По этой причине не все рекомендации ТПС, совпадают с аналогичными рекомендациями других дисциплин.

Стадии проектирования судна

Процесс проектирования судна, согласно ГОСТ 2.103, разделяется на несколько стадий. Как уже указывалось, непосредственному проектированию судна, т.е. решению внутренней задачи ТПС, должно предшествовать решение задачи внешней, которая начинается с определения оптимального состава.

Сам процесс разработки проекта судна начинается с заявки заказчика – владельца будущего судна, содержащей исходные основные технико-эксплуатационные требования к судну (ОТЭТ). В числе этих требований обычно указывается: назначение, условия эксплуатации, а также количество судов, необходимых заказчику. Эта заявка поступает в проектную организацию, которая на ее основе разрабатывает техническое задание на проектирование судна.

В техническом задании на основе изучения предполагаемого характера эксплуатации судна, обобщения и анализа опыта и тенденций мирового судостроения развиваются и уточняются данные ОТЭТ. Применительно к транспортным судам в техническом задании обычно указывают: тип и назначение судна; грузоподъемность (пассажировместимость) и характер перевозимого груза; скорость хода; тип энергетической установки; район и дальность плавания; автономность; ограничения главных размерений; класс Регистра; международные конвенции, требованиям которых должно удовлетворять судно; требования к общему расположению и обитаемости; численность и состав экипажа; специальные требования, относящиеся к мореходным качествам, устройствам, системам, средствам связи и навигации, степени автоматизации и т.п.

Одно из важных условий к содержанию технического задания является отсутствие противоречий между отдельными требованиями.

Техническое задание согласовывается с заказчиком, и после его утверждения передается проектно-конструкторским организациям для разработки на его основе технического предложения , которое, по сути, является сокращенным проектом судна. К основным задачам, решаемым на данной стадии, относятся следующие: проверка выполнимости и совместимости требований задания, предварительное определение основных элементов и общего расположения судна, проверка возможности комплектации судна необходимым оборудованием, определение проектной стоимости и экономической эффективности его эксплуатации, сопоставление проектируемого судна с существующими судами. В состав материалов данной стадии включаются, кроме пояснительной записки и расчетов, эскизы теоретического чертежа и общего расположения судна.

Как правило, техническое предложение разрабатывается в нескольких вариантах несколькими проектными организациями. В результате конкурса выбираются лучшие из них, которые являются основой для дальнейшей разработки проекта.

На основе этих вариантов, прошедших экспертизу, согласование и утверждение, разрабатывается эскизный проект , в котором уточняются характеристики полученные на предыдущей стадии путем более детальных расчетов и чертежей. На этом этапе разрабатывается конструктивный мидель-шпангоут, выполняются расчеты по прочности судна и определению элементов корпусных конструкций, разрабатываются положения по технологии и организации постройки судна, определяется стоимость головного и серийного судов.

Эскизный проект должен содержать принципиальные проектные и конструктивные решения по всем элементам судна и обоснование выбора оптимального варианта, для последующей разработки. Так же как и техническое предложение, эскизный проект проходит экспертизу, согласование и утверждение. На следующей стадии проектирования разрабатывается технический проект , в котором окончательно определяются все элементы суда и его технические и эксплуатационно-экономические характеристики. Как правило, элементы судна и его технические характеристики, принятые в эскизном проекте существенно не меняются. На данной стадии решаются в основном конструктивные и технологические вопросы по корпусу, энергетической установке, оборудованию и расположению помещений. Технический проект проходит через экспертизу, согласование, одобрение органами надзора (Регистр, техническая инспекция, комитет по экологи и пр.) и утверждение. На основе материалов технического проекта комплектуется документация для заключения договора на постройку судна.

На основе технического проекта разрабатывается рабочая конструкторско-технологическая документация, позволяющая организовать технологический процесс обработки и сборки конструктивных составляющих судна, монтаж его оборудования и всю последовательность постройки судна.

Деление процесса проектирования на составляющие

таблица 2

Относительная трудоемкость отдельных стадий следующая: техническое предложение и эскизный проект 5 – 10 % от объема работ, технический проект 10 – 15 %, рабочая документация 75 – 85 %. Как следует из этих цифр, на начальные стадии, посвященные определению основных элементов судна, приходится незначительный объем работ. Но от решений принятых именно на этих стадиях, зависят показатели эффективности будущего судна, так как вся последующая достаточно трудоемкая работа, по существу является детализацией этих решений.

Кроме нормативного существуют и другие подходы к делению процесса проектирования и группировке его стадий. Наиболее полным и соответствующим составу ТПС является следующее деление (табл. 2).

Весь процесс разработки проекта разделяется на проектирование и разработку рабочей документации. В свою очередь проектирование судна делится на внешний и внутренний этапы. В соответствии со спецификой решаемых вопросов этап внутреннего проектирования состоит из двух уровней, соответствующих уровням внутренней задачи ТПС.

Развитие теории проектирования судов

Вплоть до середины XVIII века суда строились без какого-либо предварительного проектирования, ориентируясь только на существующее судно (так называемый прототип ), хорошо зарекомендовавший себя в процессе эксплуатации. Неудивительно, что до этого периода внешний вид и общее расположение судов менялись очень медленно.

Первые попытки предварительного определения элементов судна, были связаны с построением обводов судна. Возможность проектных расчетов были обусловлены развитием методов интегрального исчисления. Этот период становления ТПС связан с именами шведского адмирала Ф.-Г. Чапмена, английского кораблестроителя А.Дина, академика Эйлера и корабельного инженера М.М. Окунева.

Заметный толчок в развитии дали переход от деревянного к металлическому судостроению и замена парусных движителей механическими энергетическими установками. Отсутствие прототипов вынудило искать способы предварительного расчета элементов и характеристик судна. Именно к этому периоду относятся появление методов строительной механики, расчетов ходкости, остойчивости, непотопляемости и т.п. Большой вклад в развитие ТПС в этот период внесли русские кораблестроители С.О. Макаров, И.Г. Бубнов, К.П. Боклевский, А.А.Попов, американский исследователь У. Ховгаард, французского инженера Ж.-О. Норманн.

Первый опыт обобщения накопленных знаний был предпринят К.П. Боклевским, первым деканом кораблестроительного факультета Санкт-Петербургского политехнического института, опубликовавшим в 1905 г. материалы по курсу проектирования судов. В дальнейшем трудами В.Л. Поздюнина, Л.М. Ногида, В.В. Ашика, А.В. Бронникова ТПС превратилась в самостоятельную науку, базирующуюся на достижениях математики, физики, гидромеханики, теории корабля, строительной механики и т.д. Круг задач, решаемых современной ТПС, обозначен выше. За границей ТПС длительное время оставалась составной частью других судостроительных дисциплин – корабельной архитектуры и теории корабля.

Конкурсный подход к выбору предварительных проектов (технического предложения) заставил проектантов искать способы сокращения продолжительности проектирования. Одним из таких способов является создание базового проекта с определенным набором показателей, которые по желанию заказчика можно было бы легко изменить. Наличие такого проекта позволяет, в условиях ограниченного времени, провести более точные расчеты, что немаловажно в условиях конкуренции. Такой исследовательский подход к проектированию позволил накопить данные о связи элементов судна с его характеристиками. Большой помощью в создании баз данных таких проектов явилось появление средств автоматизированного проектирования (САПР).

В середине 70-х годов была сформулирована концепция CALS-технологий, основанная на требованиях к непрерывной информационной поддержке жизненного цикла изделия (Continuous Added Life cycle Support). Данные технологии, направленные на повышение эффективности производства, сейчас используются во всех отраслях науки и техники. Применительно к ТПС возможности использования CALS-технологий сводятся, например, к созданию электронного паспорта судна, где собраны все данные о его элементах и характеристиках и их изменении в процессе эксплуатации судна. Накопление таких данных способствует созданию более совершенных расчетных методик, основанных на статистических закономерностях, сокращению времени на проектирование, удешевлению процесса проектирования, строительства и ремонта судов.

В конце ХХ века, задачи ТПС расширились. Во-первых, плановое хозяйство СССР, предопределило появление внешней задачи ТПС и связанные с ней проблемы оптимизации состава целых флотов. Во-вторых, от создания судна как самостоятельной транспортной единицы, проектанты перешли к созданию транспортных систем, включающих наземный транспорт, порт и суда-перевозчики. Такое комплексное проектирование отражает современное состояние ТПС.

Пересчет элементов плавучести и остойчивости судна по прототипу

Определение ряда показателей мореходных качеств проектируемого судна путем пересчета с прототипа играет существенную роль в ТПС.

- позволяет рассчитать эти показатели, минуя расчеты по теоретическому чертежу, то есть еще до его построения;

- уменьшает трудоемкость, а следовательно продолжительность расчетов. Это дает возможность оценить мореходные качества судна, сравнить их c требуемыми по заданию на проектирование и отсечь заранее неприемлемые решения.

- Структура формул пересчета позволяет установить характер влияния элементов на показатели мореходных качеств проектируемого судна.

В то же время точность этого метода уступает точности прямых расчетов по теоретическому чертежу, поэтому достоверные результаты могут быть получены только при использовании близкого прототипа.

Для получения удовлетворительных результатов расчета необходимо выполнение условия геометрического подобия формы корпуса прототипа и проектируемого судна. В первую очередь, условие подобия предполагает равенство коэффициентов полноты, то есть:

d = d ₀ ; a = a ₀ ; b = b ₀ ,

где индексом "0" обозначены величины, относящиеся к прототипу.

Различают полное и частичное подобие. При полном подобии сопоставляемых судов должно выполняться условие

L /L ₀ = B /B ₀ = T /T ₀ = l ,

где λ – модуль подобия. При частичном (аффинном) подобии

L /L ₀ = l ; B /B ₀ = b ; T /T ₀ = t ; l ≠ b ≠ t .

Пересчет элементов плавучести и начальной остойчивости может быть осуществлен по двум способам – на основе структуры физических формул между характеристиками и элементами судна и путем замены в формулах теории корабля элементов проектируемого судна элементами прототипа с переходными модулями. Например для водоизмещения

V = d LBT = d lL ₀ bB ₀ tT ₀ = lbt d L ₀ B ₀ T ₀ = lbtV ₀

или по зависимости теории корабля

.

Момент инерции площади ВЛ I_x можно представить как часть момента инерции прямоугольника LB ,

или по формулам теории корабля

.

При ненулевых углах крена при выводе формул пересчета необходимо учитывать изменение углов и длин отрезков в зависимости от изменения размерений проекта по отношению к прототипу.

Рассмотрим, как соотносятся углы крена прототипа и проектируемого судна. Пусть действующая ватерлиния прототипа описывается прямой А ₀ В ₀ , расположенной под углом Θ₀ к оси y (см. рис. 1). Тогда,

.

При изменении масштаба по оси y в b раз, а по оси z в t раз, точки А ₀ и В ₀ перейдут в точки А и В , с координатами А (0; tz_{А 0} ) и В (by_{В 0} ; tz_{В 0} ). Тогда,

.

Аналогично можно найти, как соотносятся длины отрезков прототипа и проекта. Пусть а ₀ = А ₀ В ₀ – длина какого-то отрезка прототипа, расположенного под углом Θ₀ к оси у (см. рис. 2). Проекция отрезка на эту ось,

А ₀ С ₀ = а ₀ Соs Q₀ .

При изменении масштаба вдоль оси у в b раз отрезок трансформируется в а' = А'В' , расположенный под углом Θ' . При этом его проекция на ось у ,

А'С' = b (А ₀ С ₀ ) = b а ₀ Соs Q₀ .

Изменение масштаба по оси z в t раз переместит точки А' , В' и С' , соответственно в А , В и С . Отрезок а = АВ , расположенный под углом Θ к оси у будет связан с а ₀ следующими соотношениями:

АС = А'С' = b (А ₀ С ₀ ) = b а ₀ Соs Q₀ ,

Откуда

.

При Q = 0 данное выражение совпадает с полученными ранее выражениями для L , В и T . Поперечный момент инерции проектируемого судна при Q ¹ 0 с учетом выражения полученного ранее для I_x .

,

а метацентрический радиус,

.

Для больших углов крена показателем остойчивости служит не метацентрическая высота, а плечо статической остойчивости l_cт . Получим выражение для его определения. Из рис. 3 видно, что,

.

Из треугольника C ₀ QP ,

.

QR = FC ₁ . Из треугольника C ₁ FP ,

.

Из треугольника C ₀ GE ,

.

Окончательно получим,

l_ст = уСos Θ + z_c Sin Θ – aSin Θ.

С учетом масштабов длин, данное выражение можно переписать в виде,

l_ст = bу_{c 0} Сos Θ + tz_{c 0} Sin Θ – ta ₀ Sin Θ.

Частными случаями полученной зависимости будут выражения:

при l ¹ 1, b = t = 1

Θ= Θ₀ , ρ = ρ ₀ , l_cт = l_{cт 0} .

При l = b = t = l

Θ= Θ₀ , ρ = l ρ ₀ , l_cт = l l_{cт 0} .

Таким образом, если известны значения плеч статической остойчивости прототипа, задача решается довольно просто.

При пересчете параметров непотопляемости, проектанта, в первую очередь, интересуют следующие параметры: приращение осадки носом DT_н , приращение осадки носом DT_к и угол дифферента y .

При условии при l ¹ 1, b = t = 1 и одинаковых относительных координатах поперечных переборок, длина (и объем) поврежденного отсека изменяется пропорционально l . Соответственно, масса влившейся в отсек воды Р = lP ₀ , а координата ЦТ отсека х = lx ₀ .

Рис. 4. Соотношение затопленных отсеков подобных судов

Тогда:

,

.

Аналогично DT_к = DT_{к 0} .

Таким образом, при изменении длины судна, аварийная осадка не меняется, а дифферент уменьшается пропорционально l .

При b ¹ 1, l = t = 1 получаем DT_н = DT_{н 0} , DT_к = DT_{к 0} , y = y ₀ .

При t ¹ 1, l = b = 1 получаем DT_н = t DT_{н 0} , DT_к = t DT_{к 0} , y = t y ₀ .

Показателем общей прочности являются максимальные нормальные напряжения s возникающие в продольных связях корпуса под действием изгибающего момента М_изг .

,

где W – момент сопротивления корпуса.

,

где I – момент инерции площади эквивалентного бруса относительно нейтральной оси, а – численный коэффициент, Н – высота борта. Поскольку момент инерции равен площади поперечного сечения корпуса S , умноженный на квадрат радиуса инерции r , зависящего от высоты борта, то

.

Изгибающий момент возникает под воздействием сил, пропорциональных объему погруженной части корпуса, приложенном на плече, зависящим от длины корпуса. Следовательно

.

Тогда:

.

Таким образом, напряжения, возникающие в связях корпуса, пропорциональны длине и обратно пропорциональны высоте, а поскольку степень при модуле длины равняется двойке, увеличение длины судна приводит к интенсивному росту массы корпуса.

Относительно модуля t следует отметить, что полученная зависимость справедлива при условии Т = tT ₀ и H = tH ₀ . Если изменяется только высота борта при неизменной осадке (Т = T ₀ , H = tH ₀ ), то

.

В обратном случае (Т = tT ₀ , H = H ₀ ) получим

.

При независимом изменении осадки и высоты борта (Т = tT ₀ , H = hH ₀ )

.

Нагрузка судна. Виды водоизмещения

Согласно ОСТ 5.0206-76 нагрузка судна делится на 17 разделов.

01 – Корпус , включающий массы корпусных конструкций, надстроек, рубок, дельных вещей, окраски, изоляции и оборудования помещений.

02 – Устройства судовые , включая средства активного управления.

03 – Системы , к которым относятся трубопроводы, арматура, механизмы и приводы управления насосов, кондиционеров и холодильных машин.

04 - Энергетическая установка – главные и вспомогательные механизмы.

05 – Электроэнергетическая система, внутрисудовая связь и управление . Источники электроэнергии, кабельные трассы, телефонная связь, машинные и рулевые телеграфы, аппаратура радиотрансляции, авторулевые.

07 – Вооружение (штурманское). Навигационное оборудование такое как: средства радиосвязи, гидролокации и радиолокации, компасы, лаги и т.п., а также вертолеты, если они есть на судне.

09 – Запасные части , к механизмам, устройствам, системам и пр.

10 – Постоянный балласт , твердый или жидкий, постоянно присутствующий на судне.

11 – Запас водоизмещения, остойчивости . Фиктивная масса, вводимая в нагрузку, во избежание возможной перегрузки, вследствие ошибок в расчетах.

12 –Постоянные жидкие грузы . Неудалимые остатки жидкостей в трубопроводах и цистернах, а также заправочные жидкости в механизмах.

13 – Снабжение, имущество . Шкиперское, спасательное, медицинское и пр.

14 – Экипаж, провизия, вода, расходные материалы и среды . Помимо собственно масс экипажа с багажом, провизии и пресной воды сюда относят запасы песка, цемента, красок и т.п., а также топливо для катеров и вертолетов.

15 – Груз перевозимый , состоящий из коммерческого груза и массы пассажиров с багажом, запасами пресной вводы и провизии для них.

16 – Запасы топлива, масла, воды , необходимые для работы энергетической и электроэнергетической установок.

17 – Переменные жидкие грузы . Вода в цистернах успокоителей качки, в плавательных бассейнах, в цистернах сбора загрязненных вод и т.д.

18 – Жидкий балласт , принимаемый для регулирования посадки и остойчивости.

19 – Грузы, снабжение, запасы дополнительные , принимаемые в перегруз.

В свою очередь каждый раздел делится на группы. Например, 01 раздел:

0101 - Корпус металлический.

0102 - Подкрепления и фундаменты.

0103 - Дельные вещи.

0104 - Неметаллические части корпуса.

0105 - Покрытия, окраска.

0106 - Изоляция, зашивка.

0107 - Воздух в корпусе.

0108 - Оборудование помещений, постов.

Группы делятся на подгруппы. Например, группа 0101:

010101 - Обшивка наружная, настил второго дна.

010102 - Палубы и платформы корпуса.

010103 - Переборки корпуса (включая шахты и выгородки).

010104 - Надстройки, рубки, мачты.

010105 - Конструкции специальные.

010106 - Выступающие части.

Наконец, подгруппы делятся на статьи. Например для 010101:

01010101 - Обшивка наружная.

01010102 - Настил второго дна.

01010103 - Набор продольный, междудонный.

01010104 - Набор поперечный, междудонный.

01010105 - Набор бортов продольный.

01010106 - Набор бортов поперечный.

01010107 - Набор продольный в оконечностях.

01010108 - Набор поперечный в оконечностях.

01010109 – Бульбовые и корпусные обтекатели.

01010110 – Штевни, кронштейны, мортиры, клюзы и т.п.

01010111 – Пилоны воздушных винтов, стабилизаторы.

01010112 – Металлические части привальных брусьев.

01010113 – Кингстонные и ледовые ящики, патрубки.

01010114 – Скуловые кили.

Характерный состав нагрузки некоторых судов приведен в табл. 3.

Состав нагрузки различных судов таблица 3

Сумма разделов с 01 по 13 составляют водоизмещение порожнем (D _пор ), сумма разделов с 14 по 18 – дедвейт (DW ). Водоизмещение порожнем и дедвейт составляют полное водоизмещение (D ). 19 раздел учитывается только для тех судов, которые не подпадают под соглашение о грузовой марке и для которых не регламентируется минимальная высота надводного борта.

Стандартный подход к делению нагрузки неудобен в проектных расчетах, поскольку удельное значение разделов отличается довольно сильно. Например, 01 раздел занимает 12 – 54 % от D , разделы 02, 03, 05 – от 1 до 10 %, а разделы 07, 09, 13 – десятые и сотые доли процентов. Для предварительных расчетов применяется проектная разбивка масс по разделам, отличающаяся меньшим количеством составляющих.

При подобном подходе нагрузка делится на 8 разделов:

Корпус Р_к = Р ₀₁ +Р ₁₀ .

Оборудование, Р_о = Р ₀₂ +Р ₀₃ +Р ₀₅ +Р ₀₇ +Р₀₉ +Р ₁₃ .

Балласт Р_б = Р ₁₂ +Р ₁₇ +Р ₁₈ .

Механизмы, Р_м = Р ₀₄ .

Топливо, Р_т = Р ₁₆ .

Запас водоизмещения, Р_зв = Р ₁₁ .

Экипаж, Р_э = Р ₁₄ .

Груз Р_г = Р ₁₅ .

Определение массы корпуса

01 раздел – самый "тяжелый" в нагрузке порожнего судна. Массу этого раздела можно определить одним из четырех способов:

В способах первой группы используются наиболее простые, а поэтому и наименее точные формулы вида,

Р_к = р_к D или Р_к = q _к LBH ,

где D , LBH – модули , а р_к , q _к – измерители , определяемые по прототипу, отнесенные к соответствующим модулям.

Формулы второй группы учитывают такие особенности, как: тип судна, высота надводного борта, количество палуб, развитость надстроек и т.п. Результаты расчета по формулам второй группы оказываются более достоверными, чем в первом случае. Типовая формула второй группы для массы голого корпуса (суммы групп с 0101 по 0107)

,

где А ₁ = 1 – для судов с минимальным надводным бортом и 0,96 – для судов с избыточным надводным бортом. А ₂ = 1 – для однопалубных судов, 1,06 – для двухпалубных судов, 1,12 – для трехпалубных судов. А ₃ = 1 – для судов длиной более 70 м, для судов меньшей длины А ₃ = 2,9 : L ^0,25 . Приведенная высота борта Н' , определяется по формуле

,

где h _н и l _н – соответственно высота и длина надстроек.

Формулы третьей группы выведены исходя из требований, предъявляемых к прочности судна. Выполнение этих требований обеспечивается, в первую очередь, продольными связями, входящими в эквивалентный брус. Следовательно, строго говоря, по формулам третьей группы, можно определить массу именно этих связей, но поскольку их масса составляет 80 – 90 % массы стали в составе корпуса, то формулы распространяются на все остальные связи, что приводит к незначительной погрешности, допустимой на начальных этапах проектирования.

Масса связей, участвующих в продольном изгибе, зависит от удельной массы стали ρ , площади поперечного сечения эквивалентного бруса F и длины судна L .

Р_пс = ρ L с F ,

где с – коэффициент уменьшения площади сечения эквивалентного бруса по длине судна.

Площадь поперечного сечения влияет на момент сопротивления эквивалентного бруса

W = η H F ,

где η – коэффициент утилизации площади сечения эквивалентного бруса. В то же время минимальный момент сопротивления равен отношению изгибающего момента к допустимым напряжениям в связях корпуса

.

Изгибающий момент при постановке судна на волну

,

где k – коэффициент изгибающего момента.

Тогда:

,

.

По статистике, коэффициент с ≈ δ ^1/3 , а η ≈ 0,05L ^1/2 . Тогда

,

где – измеритель массы продольных связей корпуса.

Учитывая, что Р_пс = (0,8 – 0,9) Р ₀₁ , можно определить массу всего раздела.

Способы четвертой группы основаны на постатейном пересчете масс отдельных конструкций. В этом случае общую массу корпуса разбивают на ряд составляющих (объединяя отдельные статьи, например, по функциональным признакам), для каждой из которых подбирают соответствующий модуль пересчета. Результаты, получаемые в результате расчета, по формулам четвертой групп наиболее точны, но в то же время трудоемкость расчетов гораздо больше, чем в предыдущих способах.

Разобьем массу раздела корпус на следующие составляющие:

- Продольные связи

.

- Поперечные переборки

где n _пер – число переборок.

- Местные конструкции (платформы, выгородки, шахты и т.п.)

- Надстройки и рубки

,

где W _нр – объем надстроек и рубок.

- Оборудование помещений

.

- Прочие части раздела

.

Формулы первой группы используют для ориентировочных первоначальных расчетов. При сопоставлении вариантов технического предложения пользуются более точными формулами второй или третьей группы. Расчет массы корпуса выбранного варианта осуществляют по наиболее точным формулам четвертой группы.

Определение массы механизмов

При определении массы механизмов исходят из предположения, что данная масса зависит от мощности энергетической установки N (кВт).

Р_м = р_м N .

Измеритель р_м принимает следующие значения: для СЭУ с малооборотными дизелями (МОД) – 0,09 - 0,11 т/кВт; для СЭУ со среднеоборотными дизелями (СОД) – 0,07 - 0,09 т/кВт. Более легкими являются паротурбинные СЭУ (ПТУ) – 0,06 - 0,08 т/кВт и газотурбинные (ГТУ) – 0,04 - 0,06 т/кВт. С увеличением мощности СЭУ значение р_м снижается. Для установок с N до 2 МВт измеритель принимает максимальные значения, а при N > 10 МВт значение р_м приближается к нижнему пределу.

Определение мощности на ранних стадиях весьма затруднительно. Используя данные прототипа можно применить формулу адмиралтейских коэфициентов.

,

где С – адмиралтейский коэффициент устанавливаемый по прототипу.

При перемещении СЭУ из середины судна в корму ее масса уменьшается на 5 – 6 % для МОД, на 7 – 8 % для СОД и на 9 – 12 % для ПТУ и ГТУ.

Обычно, уже на ранних стадиях определяется марка двигателя подлежащая к установке на судно, а, следовательно, и его масса Р_гд . В этом случае величину Р_м можно определить исходя из соотношения Р_м и Р_гд . Для МОД при n ≤ 100 об/мин Р_гд = 50 - 55 %, при больших n Р_гд = 40 - 45 %. Для СОД на долю дизель-редукторных агрегатов (ДРА) приходится приблизительно 40 % Р_м , причем Р_гд составляет 70 - 80 % массы ДРА. Для ГТУ Р_гд составляет 25 - 50 % Р_м . Для ПТУ масса главного турбозубчатого агрегата (ГТЗА) составляет 18 - 20 % Р_м . Масса парогенераторов для ПТУ 24 - 27 %, паропроводов 3 - 4 % Р_м . Масса трубопроводов для МОД и СОД – 15 - 20 %, для ПТУ и ГТУ – 11 - 12 % Р_м . Масса вспомогательных механизмов для МОД и СОД – 16 - 20 %, для ПТУ и ГТУ – 3 - 5 % Р_м . Масса гребных винтов и валопроводов для МОД и СОД – 6 - 8 %, для ПТУ и ГТУ – 16 - 18 % Р_м .

Определение массы топлива

Общая масса раздела 16 складывается из массы собственно топлива Р_тп , массы питательной воды для котлов Р_вд и массы смазочного масла Р_мс .

Р_тп зависит от удельного расхода q , мощности N и времени работы t главных и вспомогательных механизмов.

Р_тп = k _м Σ (q_i N_i t_i )_{гл /всп} ,

где k _м = 1,10 - 1,20 – коэффициент морского запаса. Поскольку на начальных стадиях проектирования неизвестен состав СЭУ, а следовательно неизвестны ни мощность, ни удельный расход, ни время работы вспомогательных механизмов, то расчет осуществляют введением в формулу коэффициента внутреннего потребления k _в = 1,03 - 1,06 для СОД, МОД, ГТУ и 1,08 - 1,12 для ПТУ.

Таким образом

Р_тп = k _м k _в q N t ,

где q [т/кВт час] = (0,12 - 0,17)∙10^-3 – для ПТУ и ГТУ, (0,15 - 0,20)∙10^-3 – для СОД и МОД.

Масса питательной воды Р_вд определяется из расчета пополнения утечек воды и пара и периодической смены грязной воды в котлах.

Р_вд = k _м а ₁ П_к t _к + а ₂ П_к + а ₃ N _ПТУ ,

где а ₁ = 0,06 - 0,08 – коэффициент утечек, а ₂ ≈ 2 – коэффициент смены воды, а ₃ = (3,0 - 3,5)∙10^-3 [т/кВт] – коэффициент смены воды в паропроизводительном котле турбины (только для ПТУ), t _к и П_к – время работы и паропроизводительность вспомогательных и утилизационных котлов определяемая по прототипу пропорционально D .

Р_мс зависит от типа СЭУ, мощности, продолжительности работы, утечек, угара, смены загрязненного масла и т.п. При детальном расчете определяется для каждого механизма в отдельности.

Обычно массы Р_вд и Р_мс определяют как надбавку к массе топлива, которая в среднем составляет k _т = 6 - 12 % Р_тп .

Ходовое время можно t выразить как отношение дальности плавания к экономической скорости хода. Таким образом

Р_т = Р ₁₆ = q k _м k _в k _т N R /υ_{s эк} .

Определение массы оборудования

Массу оборудования судна, при наличии близкого прототипа, можно определить, используя простейшие формулы, аналогичные формулам первой группы для корпуса.

или

Если по заданию на проектирование требуется введение новых элементов оборудования (например, подруливающих устройств, авиатехники и т.п.), то необходимо исправить нагрузку прототипа, введя туда соответствующие статьи за счет других разделов, определить новые значения измерителей и использовать их значения в расчетах по проекту.

Определение массы балласта

Массу балласта определяют исходя из требований к посадке и остойчивости судна прямым расчетом на поздних стадиях проектирования. Для предварительных расчетов пользуются данными подходящего прототипа, считая Р_б пропорциональной водоизмещению судна.

Определение массы экипажа

Значение 14 раздела зависит от количества экипажа (n _э ) и автономности и складывается из трех слагаемых: массы непосредственно людей с багажом, массы провизии и массы пресной воды.

Р_э = Р_лб + Р_пр + Р_в ,

где

Р_лб = р_э n _э ,

Р_пр = k _м n _э А_пр р_пр ,

Р_в = k _м n _э А_в р_в .

Таким образом

Р_э = р_э n _э + k _м n _э (А_в р_в + А_пр р_пр ),

где k _м – коэффициент морского запаса, А_пр – автономность по запасам провизии, А_в – автономность по запасам пресной воды, которая принимается равной 5 суткам, в случае наличия на судне опреснительной установки. В противном случае А_в = А_пр . Измеритель массы экипажа р_э = 100 – 200 кг/чел, провизии р_пр = 3 – 5 кг/чел∙сут, воды р_пр = 100 - 300 кг/чел∙сут.

Обеспечение запаса водоизмещения и остойчивости

При выполнении расчетов нагрузки вследствие приблизительного характера формул неизбежны неточности. Кроме этого в процессе постройки в нагрузку могут быть введены новые элементы. Возможны и отступления от номинальных толщин листов, размеров местных конструкций и т.п. Все это может привести к увеличению водоизмещения по сравнению с его расчетным значением. Чтобы избежать перегрузки судна в нагрузку вводится фиктивная масса запаса водоизмещения.

Величина этой массы зависит от стадии проектирования, размеров судна, наличия близкого прототипа. Определяется в долях от водоизмещения.

Р_з = Р ₁₁ = р_з D

На стадии технического предложения принимается р_з = 2,0 - 3,0 %, на стадии эскизного проекта – р_з = 1,5 - 2,0 %, на стадии технического проекта – р_з = 1,0 - 1,5 %.

Отмеченная выше перегрузка относится, как правило, к высокорасположенным частям судна, что приводит к повышению ЦТ и, следовательно, к уменьшению h . Для избежания этого в проект вводится запас остойчивости Этот запас достигается путем искусственного повышения расчетного ЦТ на величину Dz_g = Dh . Таким образом, в дальнейших расчетах

z_g = z ’ _g +Dz_g .

Подъем ЦТ может быть достигнут путем надлежащего размещения массы запаса водоизмещения по высоте. При наличии близкого прототипа Dz_g = 10 - 25 см, при его отсутствии Dz_g = 20 - 35 см.

Координата z _з может быть найдена из уравнения статических моментов

Dz_g = (D – Р_з ) z ’ _g +P _з z _з .

Тогда

z _з = z ’ _g + Dz_g / р_з .

Вычисленная по этой формуле величина z _з обычно близка к высоте борта. Поэтому считается, что масса запаса водоизмещения принимается на палубу. Положение ЦТ запаса водоизмещения по длине судна совмещают с положением с ЦТ водоизмещения порожнем.

Уравнения масс

Уравнение масс является аналитическим выражением равенства водоизмещения судна сумме всех масс, входящих в его нагрузку:

D = Σ P_i + P ,

где D – водоизмещение судна, P_i – массы, зависящие от элементов и характеристик проектируемого судна (водоизмещения, главных размерений и их соотношений, коэффициентов теоретического чертежа, мощности главного двигателя и проч.), называемые переменными , Р – массы, не зависящие от элементов и характеристик этого судна и рассматриваемые поэтому как постоянные для любого варианта проектируемого судна, соответствующего одним и тем же исходным данным, т. е. одному и тому же заданию.

К переменным массам относятся, в большинстве случаев, массы корпуса P _к , оборудования P _о , механизмов P _м , топлива P _т и балласта P _б . К условно постоянным – масса перевозимого груза Р_г и масса экипажа Р_э . Масса запаса водоизмещения судна Р_з , в по характеру является переменной, зависящей от водоизмещения, но нередко рассматривается как условно постоянная величина.

Уравнение масс, может быть записано в ряде модификаций, для определения водоизмещения или главных размерений проектируемого судна по технико-эксплуатационным данным задания на проектирование.

Все модификации уравнения масс подразделяются на алгебраические и дифференциальные. Уравнения масс в алгебраической форме пригодны для определения искомых элементов судов как при наличии, так и при отсутствии близкого прототипа. Использование уравнений масс в дифференциальной форме возможно только при наличии подходящего судна-прототипа, в элементы которого вносятся исправления, отражающие различие технико-эксплуатационных характеристик прототипа и проектируемого судна – грузоподъемности, скорости, дальности плавания, автономности и т. д.

Отмеченные особенности алгебраических и дифференциальных уравнений масс могут быть записаны следующим образом.

Алгебраические уравнения:

(D , L , B , T , H , …) = f (P _г , υ_s , r , A , …)

Дифференциальные уравнения:

D = D ₀ + dD ; L = L ₀ + dL ; В = В ₀ + d В ; …

(dD, dL, dB, dT, dH, …) = f (dP _г , d υ_s , dr, dA, …)

где D , L , B , T , H , … – искомые элементы проектируемого судна; D ₀ ; L ₀ ; В ₀ ; Т ₀ ; Н ₀ ; … – аналогичные величины судна-прототипа; dD , dL , dB , dT , dH , … приращения этих величин; dP _г , dυ_s , dr , dA , … – различия между техни­ко-эксплуатационными характеристиками обоих судов.

Из сказанного следует, что уравнения масс, выраженные в алгебраи­ческой форме, более общие и универсальные по сравне­нию с дифференциальными.

Уравнения масс, выраженное в функции главных размещений

Если в общем уравнении масс выразить все переменные массы в функции главных размерений и коэффициентов теоретического чертежа, то это уравнение приводится к виду:

γδLBT = Σ f_i (δ , L , B , T , H ) + Σ f_j (N ) + P .

В отдельный член Σ f_j (N ) в этом уравнении выделены массы, зависящие от мощности главного двигателя N и длительности его работы в течению рейса, т. е. Р_м и Р_т . Поскольку мощность главного двигателя зависит от сопротивления движению судна, а оно, в свою очередь, от параметров корпуса, становится очевидной однородность всех переменных масс в последнем уравнении.

В рассматриваемом уравнении фигурирует несколько неизвестных – главные размерения и коэффициент полноты, поэтому для их однозначного определения необходимо задаться дополнительными зависимостями, чтобы выразить все неизвестные через какую-либо одну величину. В качестве таких зависимостей используют соотношения главных размерений, принимаемые на основе

- статистики,

- соотношения главных размерений прототипа,

- ограничения главных размерений, налагаемые условиями постройки и эксплуатации судна,

,

- другие уравнения теории проектирования судов,

,

Чаще всего все неизвестные величины выражают через длину проектируемого судна, руководствуясь следующими соображениями:

1. поскольку длина является наибольшим из всех главных размерений, остальные размерения получают делением L , что приводит к уменьшению погрешности результатов расчета. Известно, что при умножении приближенного числа х на точный сомножитель k абсолютная погрешность произведения Dх окажется в k раз больше абсолютной погрешности приближенного сомножителя Dх, т. е. при Х = k х, DХ = k Dх . Переходя к главным размерениям и приняв, например, k = L /В, можем написать: L = k В, откуда DL = k DВ и D В = DL /k . Если в первом случае абсолютная погрешность возрастает в k раз, то во втором в k раз уменьшается. Очевидно, что аналогичные соотношения применительны и к другим главным размерениям.

2. знание L необходимо для определения чисел Рейнольдса Re и Фруда Fr , фигурирующих в расчетах сопротивления воды движению судна, а следовательно, и мощности главного двигателя.

В этом случае уравнение масс запишется так:

f (L ) = Σ f_i (L ) + Σ f_j (N ) + P .

При решении этого уравнения возможны два пути определения члена Σf_j (N ) – аналитически или с помощью графиков.

В первом случае используют приближенные формулы типа адмиралтейской: N = D υ _s ³ / C . Тогда уравнение приводится к виду

Σ f (L ) + P = 0

не вызывающему затруднений при определении L .

Во втором случае расчет оказывается значительно более громоздким, но и более точным. Последовательность вычислений при этом обычно такова.

Задаются рядом значений длины судна L , перекрывающих область ожидаемых значений этой величины. Затем, применительно к выбранным L вычисляют Re и Fr , определяют все компоненты полного сопротивления движению судна R , используя при этом подходящие графики результатов серийных испытаний моделей судов, переходят от сопротивления к мощности главного двигателя N , определяют Σf_j (N ) = Р_м + Р_т , а также остальные компоненты нагрузки проектируемого судна f_i (L ). Полученные результаты наносят на график, позволяющий найти корень уравнения (рис. 5).

Рис. 5. Решение уравнения графическим путем

Второй путь определения Σf_j (N ) целесообразен при разработке нескольких вариантов проектируемого судна, отличающихся соотношениями главных размерений и значениями коэффициентов теоретического чертежа, в первую очередь δ. В этом случае повышенная трудоемкость расчетов оправдывается более высокой степенью достоверности результатов, отражающих влияние исследуемых параметров на показатели и характеристики судна. Естественно, что для определения всех остальных составляющих нагрузки, т. е. величин f_i (L ), должны применяться расчетные зависимости, гарантирующие повышенную точность получаемых результатов.

На первоначальных этапах определения основных элементов судов вполне допустимо пойти по более простому пути использования аналитических зависимостей для определения N и подсчета соответствующих масс, а остальные разделы нагрузки определять укрупненно, без их детальной разбивки на отдельные составляющие.

Уравнение масс, выраженное в функции водоизмещения

Если переменные массы Р выразить в функции водоизмещения, исходное уравнение масс принимает вид:

D = Σ f_i (D ) + Σ f_j (N ) + P .

В данном случае нет нужды усложнять решение уравнения ради уточненного определения N , поскольку точность и достоверность результатов, получаемых при использовании уравнения, в данном виде будет, как правило, ниже, чем при использовании уравнения масс в функции главных размерений. Объясняется это тем, что выражение переменных масс, в первую очередь Р_к , в зависимости от главных размерений лучше отражает влияние того или иного элемента на массу раздела, нежели в зависимости от водоизмещения судна. Следовательно, нет нужды в точном вычислении N , вполне допустимо определять ее по приближенным формулам. В результате уравнение преобразуется в простую зависимость:

Σ f (D ) + P = 0.

Это наиболее употребительное уравнение из используемых на начальных этапах расчетов. Несмотря на отмеченные недостатки при наличии достоверных измерителей масс, полученных по близкому прототипу, решение данного уравнения приводит к достаточно точным результатам.

Уравнение масс в форме коэффициентов утилизации водоизмещения

Употребительны два коэффициента утилизации водоизмещения – по чистой грузоподъемности η_г и по дедвейту η _DW .

и

Коэффициенты утилизации водоизмещения используют для оценки качества судна, чем выше значение η _i , тем при прочих равных условиях более совершенно судно. Количественное значение коэффициентов лежат обычно в следующих пределах: η_г = 0,5 - 0,7, η _DW = 0,6 - 0,8, изменяясь в зависимости от типа судна, его размеров, скорости, дальности плавания и т.п.

Кроме этого коэффициенты используются для приближенной оценки водоизмещения на ранних этапах определения основных элементов судов.

При сопоставлении однотипных, близких по размерам судов с одинаковыми скоростями υ _s и дальностями плавания r можно пользоваться коэффициентом η_г , в противном случае, при различии υ _s или r - коэффициентом η _DW , так как сравнение коэффициентов утилизации водоизмещения по чистой грузоподъемности будет непоказательным.

Чтобы установить влияние перечисленных выше факторов на величину η_г и η _DW , поступим следующим образом

DW = D – (Р_к + Р_м + Р_о + Р_з ),

Откуда

,

где – по формуле адмиралтейских коэффициентов.

Из этого выражения следует, что коэффициент η _DW увеличивается при соответственном уменьшении относительной массы корпуса судна, удельной массы механизмов и оборудования и измерителя запаса водоизмещения. Как правило значения р_к , р _о , р _м и р_з уменьшаются с увеличением размеров судов, поэтому крупным судам, как правило, присущи более высокие значения η _DW , чем более мелким судам того же назначения и с той же скоростью. Понятно, что коэффициенты утилизации водоизмещения по дедвейту у тихоходных судов оказываются выше, чем у быстроходных. Влияние на η _DW отмеченных факторов показано на рис. 6.