К вопросу нормирования общей прочности судов смешанного плавания с классом Российского Речного Регистра Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 629.122/123:539.4

С. Н. Гирин, к. т. п., доцент.

А. М. Фролов, к. т. н., доцент, ВГАВТ.

603600, Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5.

К ВОПРОСУ НОРМИРОВАНИЯ ОБЩЕЙ ПРОЧНОСТИ СУДОВ СМЕШАННОГО ПЛАВАНИЯ С КЛАССОМ РОССИЙСКОГО РЕЧНОГО РЕГИСТРА

Излагаются принципы нормирования общей прочности корпусов судов с классом Российского Речного Регистра на основе предложенной авторами методики определения изгибающих моментов на волнении. В отличие от действующих Правил Российского Речного Регистра вводится проверка общей прочности по предельным моментам не только на нормативном волнении с высотой, указанной в формуле класса, но и на максимальном волнении, на которое судно может попасть при неблагоприятных ошибках в прогнозе

Анализ Правил ряда классификационных обществ [1] показывает, что для классов судов ограниченного плавания в большинстве случаев устанавливаются ограничения по удалению от мест убежищ (Б), либо по времени хода до места убежища (1). Так, Норвежское бюро «Веритас» для класса «Я2» устанавливает 3 = 50 миль в зимний и 8 = 100 миль в летний периоды, а для класса «113» Б = 10 и 5 = 50 миль соответственно. Германский «Ллойд» для класса «К» устанавливает Б = 50 миль без учета сезона. Французское бюро «Веритас» для класса «Б\¥» устанавливает 8=15 миль, а для классов «С\№» и «БИЛУ» устанавливает ограничение времени хода до убежища ( ^ б и { = 3 часа соответственно. Российский Морской Регистр Судоходства (РМРС) для классов «II СП» и «III СП» назначает Б = 50 миль.

Таким образом, большинство классификационных обществ устанавливает в качестве ограничения удаление от места убежища. В действующих Правилах Российского Речного Регистра (ПРР) такие ограничения отсутствуют. Приведение в ПРР морских районов и сезонов, в которых допускается эксплуатация судов смешанного плавания (ССП), не полностью решает проблему, поскольку там указаны суда с определенным значением допустимой высоты волны 3 % обеспеченности [Ь3%] (например, для класса «М-СП 3,5»), тогда как ПРР предусматривают суда с [Ь3%], не соответствующей нормативному значению [Ъ$%] класса, например «М-СП 2,5». Для таких судов в ПРР не прописаны районы эксплуатации. В этом случае ПРР требуют проведения дополнительных расчетов по согласованной с Речным Регистром методике.

Введение в ПРР нормативной величины удаления от места убежища 8 позволяет решать задачу оценки общей прочности ССП различных классов с произвольной величиной [Ь3%] на одной методической основе. В работе [2] излагается методика определения дополнительного волнового момента ССП при заданных значениях нормативных величин высоты волны 3% обеспеченности [Ь3%] и удаления от места убежища [Э]. Правила Регистра являются комплексным документом, обеспечивающим определенный стандарт прочности корпуса судна. Изменение одной лишь методики нормирования дополнительного волнового момента может привести к существенному изменению стандарта прочности, поэтому в данной работе предлагается несколько отличный от действующих ПРР принцип нормирования общей прочности ССП.

В действующих ПРР [3] и [4] предусмотрена проверка общей прочности корпуса судна лишь при Ь = [Ь3%]. В соответствии с ними для проектируемого (нового) судна должны выполняться следующие основные проверки:

а) по допускаемым нормальным напряжениям общего изгиба

а0 = I Мта + [Мда] I / W < стдоп; (1)

б) по предельным изгибающим моментам

к |мта + [мда]|, (2)

где Мт„ - изгибающий момент на тихой воде для расчетного случая нагрузки судна,

МНм;

[Мда] - дополнительный волновой изгибающий момент, МНм, при h= [h3%];

W - момент сопротивления для рассматриваемой связи эквивалентного бруса с учетом редуцирования гибких элементов, м3;

<7Доп, - допускаемые нормальные напряжения, МПа;

Мпр- предельный изгибающий момент, МНм;

к - коэффициент запаса прочности для нового судна;

сг0 - нормальные напряжения в расчетной связи эквивалентного бруса от общего изгиба, МПа.

Правилами РМРС [5] предусматривается проверка общей прочности по критерию (1), кроме того, в них регламентируется значение минимального момента сопротивления эквивалентного бруса Wmin.

Допускаемые нормальные напряжения от общего изгиба аДОТ1 в Правилах [3], [4] и [5] назначаются в долях от предела текучести материала связи R^. Они могут быть также выражены через опасные напряжения стоп. В свою очередь, опасные напряжения для связей, участвующих только в общем изгибе, при расчете по допускаемым напряжениям и предельным моментам можно связать с пределом текучести материала зависимостью

<^оп kH R^n, (3)

где к„ — коэффициент использования механических свойств материала.

Для ССП, классифицируемых Правилами РРР, допускаемые нормальные напряжения для жестких связей, участвующих в общем изгибе и не несущих местной нагрузки (продольных неразрезных комингсов, связей ненагруженных палуб и т.п.), равны

сдоп= 0,7 о0П = 0,7 k„ ReH- (4)

В соответствии с [6] коэффициент использования механических свойств материала, заложенный в Правила РРР, может быть вычислен из зависимости

к„ = 1/ (0,75 + 0,25 ReH /235). (5)

Для жестких связей эквивалентного бруса, участвующих в общем изгибе и несущих местную нагрузку (связей нагруженных палуб и днища всех судов), в соответствии с Правилами [3] и [4] допускаемые нормальные напряжения от общего изгиба независимо от предела текучести стали принимаются равными адоп = 0,6 RcH.

Последняя норма справедлива лишь в случае, когда рассматриваемые связи выполнены из обычной углеродистой стали с пределом текучести ReH = 235 МПа. В наиболее общем случае допускаемые напряжения для этих связей целесообразно вычислять по формуле

^доп 0,(у k„ ReH. (6)

Для ССП, проектируемых по Правилам РМРС [5], опасные напряжения принимаются по формуле (3), а допускаемые напряжения при проверке общей прочности по критерию (1) для всех связей, в том числе участвующих в местном изгибе, равны

Стдоп = 0,75 стоп= 175/л, (7)

где л - коэффициент, зависящий от предела текучести стали.

При этом, коэффициент к„ в соответствии с предложением профессора И.И. Тря-нина может быть вычислен по формуле

к„ = 1 - 0,089 (ReH / 235 - 1) - 0,129 (R«H / 235 -l)2. (8)

Значения коэффициента ки , соответствующие Правилам РРР и Правшам РМРС, приведены в табл. 1.

Таблица I

Значения коэффициента к„

Правила ReH, МПа

235 295 315 345 355 390 395

РРР 1,00 0,94 0,92 0,90 0,89 0,86 0,85

РМРС 1,00 0,97 0,96 0,93 0,92 0,89 0,88

Как следует из таблицы, коэффициенты ки по Правилам РМРС принимаются несколько выше, чем по Правилам РРР. Очевидно, что нет причин, по которым РРР должен предъявлять к сталям повышенной прочности (СПП) более жесткие требования, чем РМРС, поэтому и в Правилах РРР целесообразно коэффициент к„ вычислять по формуле (8).

Регламентация Правилами РМРС минимального момента сопротивления эквивалентного бруса (в соответствии с [5] он зависит только от волнового изгибающего момента Mw, называемого в Правилах РРР дополнительным волновым Мда) фактически означает введение дополнительного критерия общей продольной прочности

= I [Мда] | / W < (стД011)', (9)

где (адоп) - допускаемые нормальные напряжения, обусловленные действием только дополнительного волнового изгибающего момента, МПа.

Целесообразно, на наш взгляд, введение критерия (9) и в практику расчетов прочности ССП, проектируемых на класс РРР, поскольку это позволит ограничить уровень напряжений общего изгиба при действии знакопеременных (циклических) волновых изгибающих моментов при эксплуатации в прибрежных морских районах и повысить усталостную долговечность корпусных конструкций.

Необходимо указать, что фактический минимальный момент сопротивления эквивалентного бруса Wmjn по Правилам РРР определяется для связей, наиболее удаленных от нейтральной оси, а по Правилам РМРС фактическая величина Wiran вычисляется несколько иначе. Так, для палубы танкеров минимальный момент сопротивления определяется для расчетной точки, расположенной на теоретической палубной линии у борта (нижней кромки палубного стрингера), тогда как наиболее удаленная точка расположена в диаметральной плоскости и ее положение определяется с учетом поги-би бимса. Для сухогрузных судов с непрерывными продольными комингсами наиболее удаленная точка расположена на верхней кромке комингса. Фактический же минимальный момент сопротивления по Правилам РМРС вычисляется для расчетной точки, расположенной чуть ниже - на расстоянии z = z2 (0,9+0,2 у/В) от нейтральной оси, где z2 - расстояние от нейтральной оси до верхней кромки продольного комингса; у - расстояние от вертикальной стенки продольного комингса до диаметральной плоскости судна. При прочих равных условиях фактический минимальный момент сопротивления Wmin, вычисленный по Правилам РРР, оказывается меньше Wmu„ вы-

численного для того же судна по Правилам РМРС. Поэтому, при сопоставлении результатов расчетов по Правилам РРР и Правилам РМРС необходимо значение Wn,u,, вычисленное по Правилам РРР, умножить на поправочный множитель kz>l.

При этом, для сухогрузных судов с непрерывным продольным комингсом

кг =1/ (0,9+0,2 у/В), для танкеров (при погиби бимса, равной В/50, и высоте борта Н)

kz =1+0,04 В/Н.

Кроме того, расчетная длина судна L в соответствии с Правилами [3] и [4] измеряется по действующей ватерлинии, в то время, как по Правилам [5] L < 0,97 LKBJI, где Ьквл ~ длина судна при осадке по летнюю конструктивную ватерлинию.

Указанные отличия между Правилами РРР и РМРС затрудняют прямое численное сопоставление соответствующих значений адоп в общем виде, т.е. без привязки к конкретному судну.

Оснований для пересмотра значений стдоп в Правилах РРР в настоящее время не имеется. Однако, предлагаемое введение в них дополнительного критерия (9) гребует установления соотношения между значениями допускаемых напряжений оДШ1 и (сгдоп).

Последнее может быть принято с учетом опыта эксплуатации морских судов, отра-

женного в Правилах РМРС [5].

Если пренебречь влиянием волновой вибрации, обусловленной гидродинамическим взаимодействием носовой оконечности со встречным волнением и происходящей с кажущейся частотой волны (при полных обводах носовой оконечности ССП оно незначительно), то в соответствии с [5] можно записать выражения для Mw = Мд8: при перегибе

(Мдв), = 190 Cw 5 В L2 ф 10"6 , МНм, (10)

при прогибе

(Мдв)2 = -110 С* (5 + 0,7) В L2 Ф 10'6 , МНм, (II)

где Cw - коэффициент волнового изгибающего момента, зависящий от длины судна;

5 - коэффициент общей полноты судна при осадке по летнюю конструктивную ватерлинию;

Ф < 1 - редукционный коэффициент к величине волнового изгибающего момента, учитывающий влияние ограничений по району плавания судна;

В - ширина судна расчетная, м.

Минимальный момент сопротивления для расчетной точки в соответствии с [5] принимается равным

Wmin= Cw (8 +0,7) В Lr tj </> КГ6, м. (12)

Поскольку наибольшими при реальных зачениях 5 в соответствии с Правилами РМРС являются изгибающие моменты при прогибе, допускаемые напряжения, принятые в них при учете только волновой составляющей изгибающего момента на основании формул (7), (11) и (12), равны

(Одоп)’ = 110 / Г1=п стдоп. (13)

Для ССП, проектируемых на класс Речного Регистра, с достаточной для практики точностью можно принять

п = (110/ 175) (0,75/0,7) = 2/3. (14)

Пусть значение изгибающего момента на тихой воде М.в = (Мтв)0 таково, что одновременно выполняются условия (1) и (9):

! (Мтв)0 + [Мда] | / W =- стдоп; (15)

I [Мдв]! / W-ПСТдвп. (16)

Тогда

I (Мта)0 | = m о I [Мдв]!, (17)

где

mo=(l-n)/n. (18)

При п = 2/3 получаем то = 0,5. Если | Мхв | > | (MID)01, то определяющим при проверке прочности корпуса судна по нормальным напряжениям является критерий (1). При ! Мтв | < | (Мтв)0! определяющим является критерией (9).

Пусть отношение между фактическим значением изгибающего момента на тихой воде и дополнительным волновым изгибающим моментом при эксплуатации судна на расчетном волнении для данного класса высотой [h3%] равно

!(Mtb)|/I[Mm]| - m.

Тогда требуемое значение момента сопротивления для расчетной точки эквивалентного бруса будет равно:

при ш < т0

W, = I [Мда] i / п стдоп, (19)

при т > т0

W2 = (1+т) | [Мда] | / стдоп • (20)

Расчет по формулам (19) и (20) производится для наиболее неблагоприятных случаев нагрузки при перегибе и при прогибе корпуса судна. В расчет принимается наи-

большее значение W.

При проверке общей прочности проектируемого судна по критерию (2) в соответствии с Правилами РРР под предельным моментом понимается изгибающий момент, вызывающий в наиболее удаленной кромке эквивалентного бруса нормальные напряжения, равные пределу текучести материала.

В работе [6] с учетом [7] предлагается иная формулировка понятия предельного изгибающего момента, которая позволяет привести расчет по предельным моментам в соответствие с расчетом по допускаемым напряжениям:

«Предельный изгибающий момент - это предельная нагрузка, приводящая корпус в предельное состояние, при котором хотя бы в одной точке эквивалентного бруса нормальное напряжение достигает опасного значения (не обязательно предела текучести материала)».

Для корпусов судов, набранных по смешанной системе, как показано в [6], моменты сопротивления расчетной точки эквивалентного бруса при действии фактического W и предельного WIip изгибающих моментов примерно равны. Поэтому с целью упрощения анализа примем W = W,,,. Тогда в наиболее общем случае коэффициент запаса судна в предельном состоянии на расчетном волнении высотой [h3%] будет равен:

k = W стоп / [(l+m) I [Мди] | ]. (21)

Рассмотрим общий изгиб судна под действием самого неблагоприятного случая нагрузки. Если в этом случае W = Wb т. е. m < то, то для судна, не имеющего излишних запасов прочности, получаем

к = [1/(1+т)п](стоп/стдоп). (22)

Если же W = W2, т. е. ш > то, то

к 0ОП / сТд0П. (23)

Минимальное значение коэффициента к = ктш , вычисленное по формулам (22) и (23), с учетом (4) равно 1,43. С учетом того, что на самом деле Wnp все же несколько меньше W, с достаточной для практики точностью при нормировании общей прочности можно принять к = 1,40. Опасные напряжения для связей, участвующих как в общем, так и в местном изгибе, при расчете по предельным моментам можно с достаточной точностью принять равными

ао„ = 0,9 kuReH. (24)

На волнении с максимальной высотой (h3%)max на судно будет действовать максимальный дополнительный волновой изгибающий момент (МдВ)пих. Пусть I (Мдв)тах / [Мдв] I = ц, тогда в наиболее общем случае коэффициент запаса по предельным моментам будет равен

ki = W стоп / (ц+ш) | [Мд*] |. (25)

Если при наиболее неблагоприятном нагружении судна W = W,, т. е. m < m0> для судна, не имеющего излишних запасов прочности, будем иметь

k, = [1 / (ц + т) п] (аоп / стдап). (26)

Аналогично при W = W2, т.е. m > , получаем

к,= [(1 + m)/(p + m)] (<топ !

^ДОП ) • (27)

При о0П / о Д(,„ = 0,7 коэффициент запаса равен

ki = v ((70П / адоп) = 1,43 v. (28)

Значения v при п = 2/3 = 0,667 представлены в табл. 2. Как видно из этой таблицы, минимальные значения v, следовательно, и минимальные значения коэффициента запаса в предельном состоянии (k|)min при наиболее неблагоприятном нагружении судна, не имеющего излишних запасов прочности, наблюдаются при ш = то = 0,5. Анализ формул (25) - (27) показывает, что при других значениях пито минимум этих величин также имеет место при m = то. В частном случае, когда ц=1 и m > то , получаем v = 1, ki = k = 1,43s 1,40.

Таблица 2

Значения v при п-0,667

и т

0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0

1,0 1.50 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00

1,1 1,36 0,94 0,95 0,96 0,97 0,97 0,98

1,2 1,25 0,88 0,91 0,92 0,94 0,94 0,95

1,3 1,15 0,83 0,87 0,89 0,91 0,92 0,93

1,4 1,07 0,79 0,83 0,86 0,88 0,90 0,91

1,5 1,00 0,75 0,80 0,83 0,86 0,88 0,89

В табл. 3 приведены значения к] = (к | )т;п в случае схода судна с трассы в условиях развивающегося волнения при п=0,667; т=то = 0,5; стдоп/стоп = 0,7.

Таблица 3

Минимальные значения коэффициента к,=(к,) „„„ условиях развивающегося волнения при п=0,667, т=т„ = 0,5, а,)оп / аоп = 0,7 для судна, не имеющего излишних запасов прочности

1,0 1Д 1,2 1,3 1,4 1,5

V *4mm 1,43 1,34 1,26 1,19 1,13 1,07

Проверка общей прочности проектируемого (нового) судна по предельным моментам при h = (h3o/o)max должна производиться по критерию

Mnp > k, I Мтв + (МД„ГХ|. (29)

Нормируемое значение коэффициента к) целесообразно назначить на основе серийных расчетов с учетом опыта проектирования и эксплуатации ССП, отраженного в действующих Правилах [3] и [4].

В процессе изнашивания корпуса при эксплуатации величина W* уменьшается. Проверка обшей прочности корпуса изношенного судна, как это принято в настоящее время, должна производиться по предельным изгибающим моментам. В предлагаемой методике предусмотрено использование следующих критериев

(Мпр)шн ^ кизн | мгв + [Мдв]|, (30)

(мпр)изи > (кизн), I мта + (Мдагх'|, (31)

где (Млр)изн - предельный изгибающий момент изношенного судна, МНм;

киз„ - коэффициент запаса прочности по предельному моменту при эксплуатации изношенного судна на волнении с допускаемой высотой [h3%];

(km„)i - коэффициент запаса прочности по предельному моменту при эксплуатации изношенного судна на волнении с максимальной высотой (h3%)max.

В соответствии с рекомендациями, принятыми на заседании корпусной секции научно-технического совета Российского Речного Регистра, примем кизн = 1,19. Величину коэффициента (ккзн)! также, как и коэффициента кь можно получить на основе расчетов ряда судов из условия сохранения стандарта прочности действующих ПРР.

Список литературы

[1] Коваль М,Г. Сопоставительный анализ требований ведущих классификационных обществ к прочности судов ограниченных районов плавания // Сборник научных трудов ЦНИИ им. акад. А Н. Крылова. - Вып. 3 (287). - СПб., 1996 - С. 3-7.

[2] Гирин С.Н., Фролов А.М. К вопросу о прочности и условиях эксплуатации судов смешанного плавания, проектируемых на класс Российского Речного Регистра // Труды ВГАВТ. - Вып. 299. - Н. Новгород, 2001. - С. 53-63 .

[3] Российский Речной Регистр. Правила (в 3-х томах). - Т. 1. - М.: Марин инжиниринг сервис, 1995-329 с.

[4] Российский Речной Регистр. Правила (в 3-х томах). - Т. 3. - М.: Марин инжиниринг сервис, 1995-430 с.

[5] Российский Морской Регистр Судоходства. Правила классификации и постройки морских судов.-Т. 1,-СПб., 1999.

[6] Трянин И.И. Проверка общей прочности корпусов судов внутреннего плавания по предельным изгибающим моментам // Тезисы докладов НТК "Бубновские чтения". - СПб.: ЦНИИ им. акад. А Н. Крылова, 1998. - С. 96.

[7] Максимаджи А.И. Прочность морских транспортных судов. Вопросы применения стали повышенной прочности. - Л.: Судостроение, 1976-312 с.

TO A QUESTION OF OVERALL STRANGTH NOTES FOR SHIPS OF “RIVER-SEA” TYPE WITH RUSSIAN RIVER REGISTER’S

CLASS S. N. Girin, A. M. Frolov

Principles of rating of hull overall strangth for ships with Russian River Register's class by original method are adduced. In this method (in contradistinction to Notes of Russian River Register) overall strangth check is performed on extreme wave conditions, wich can take place in case of mistaken weatherforecast.

УДК 629.122/123:539.4

С. Н. Гирин, к. т. н„ доцент.

А. М. Фролов, к. т. н., доцент, ВГАВТ.

603600, Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5.

О НАЗНАЧЕНИИ КОЭФФИЦИЕНТОВ ЗАПАСА ПРИ ПРОВЕРКЕ ОБЩЕЙ ПРОЧНОСТИ СУДОВ СМЕШАННОГО ПЛАВАНИЯ ПО МЕТОДУ ПРЕДЕЛЬНЫХ МОМЕНТОВ

На основе расчетов типоразмерного ряда судов классов «М-СП 3,5», «М-пр 3,0» и «О-пр 2,0» Российского Речного Регистра дается рекомендация выбора нормативной величины коэффициента запаса прочности по предельному моменту в отношении к расчетному, вычисленному для максимальной высоты волны в соответствии с предложенной авторами методикой. Анализируется долговечность судов с учетом установленных Правилами Речного Регистра скоростей изнашивания.

В работах [1] и [2] излагается предложенная авторами новая методика оценки продольной прочности судов смешанного плавания (ССП). Эта методика, на наш взгляд, в большей степени по сравнению с действующими Правилами Российского Речного Регистра (ПРР) отражает физическую сторону взаимодействия корпуса судна с волной. Однако при оценке прочности ПРР учитывают опыт эксплуатации судов, поэтому к назначению коэффициентов запаса прочности в новой методике необходимо подходить с большой осторожностью. В настоящее время, по-видимому, нет оснований для изменения стандарта прочности ССП, регламентируемого действующими ПРР. Следовательно, при назначении коэффициентов запаса в предлагаемой методике необходимо стремиться к равенству минимальных моментов сопротивления, получаемых по методике и по ПРР.

С этой целью произведены сопоставительные расчеты для серии судов классов «М-СП 3,5», «М-пр 3,0» и «О-пр 2,0», исходные данные по которым приведены в табл. 1. При вычислении максимальной высоты волны в табл. 1 приняты условия:

1. Удаление от мест убежища для судов классов «М-СП 3,5» и «М-пр 3,0» равно 50 миль, а для класса «О-пр 2,0» - 20 миль;

2. Скорость хода судов на тихой воде равна 10,8 уз (20 км/ ч);

3. Максимальная высота волны удовлетворяет неравенству (Ь3%)"'"!Х < Ь/16,5.