Статика корабля

Р. В. Борисов








                СТАТИКА КОРАБЛЯ










Рекомендовано в качестве учебника для студентов вузов, обучающихся по направлению «Кораблестроение и морская системотехника»














Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023

УДК 629.5.015.1
ББК 39.42-01
     Б82


Рецензенты:
доктор технических наук, начальник отдела конструкции корпуса и судовых устройств ГУ «Российский морской регистр судоходства» М. А. Кутейников; доктор технических наук, профессор, заведующая кафедрой теории корабля СПбГМТУ В. Ю. Семенова


     Борисов, Р. В.
Б82 Статика корабля : учебник / Р. В. Борисов. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. - 216 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-1126-4


           Дается теоретическое изложение вопросов статики и типовые примеры расчетов элементов статики в виде отдельных заданий. Рассмотрены плавучесть и остойчивость неповрежденного и аварийного судна, даны методы их расчета и принципы нормирования. Изложены принципиальные подходы к решению основных задач статики судна.
           Для студентов кораблестроительных вузов и факультетов.

УДК 629.5.015.1
                                                          ББК 39.42-01

















ISBN 978-5-9729-1126-4

     © Борисов Р. В., 2023
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

ПРЕДИСЛОВИЕ

     Настоящий учебник написан в соответствии с программами курсов «Статика корабля», «Теория корабля», «Теория и устройство корабля», читаемых студентам кораблестроительных вузов и факультетов по всем формам обучения (бакалавры, магистры, специалисты) на дневных, вечерних и заочных факультетах.
     При подготовке использованы материалы фундаментального учебника В. В. Семенова-Тян-Шанского [22], учебного пособия «Статика корабля» [19] Р. В. Борисова и др., а также ряда учебников других авторов, материалы и правила Российского морского регистра судоходства, исследования отечественных и зарубежных авторов, материалы проектов судов транспортного флота.
     В учебнике дается не только теоретическое изложение вопросов статики, но и типовые примеры расчетов элементов статики в виде отдельных заданий.
     С учетом опыта многолетнего преподавания автор не является сторонником использования студентами готовых программ расчетов по теории корабля на ЭВМ, так как при этом студенты полностью теряют физический смысл всех происходящих с кораблем процессов. Предполагается, что описания программ будут изложены в отдельных методических пособиях с учетом имеющегося в вузах программного обеспечения. Ими могут пользоваться студенты при подготовке дипломных проектов. В то же время автор всемерно поощряет составление программ расчетов студентами самостоятельно.
     В свете современных требований Российского морского регистра судоходства определенное место уделено вопросам нормирования остойчивости и непотопляемости морских судов.
     Учебник состоит из введения, пяти глав и приложения.

3

ВВЕДЕНИЕ

     Теория корабля (судна) - наука о его мореходных качествах: плавучести, остойчивости, непотопляемости, ходкости, умеренности качки и управляемости. Изучение и исследование мореходных качеств производится с учетом особенностей формы обводов корпуса, главных размерений корабля, распределения грузов и внешних нагрузок. Знание мореходных качеств необходимо при проектировании корабля, когда решается задача о выборе характеристик мореходных качеств, обеспечивающих надежную и безаварийную эксплуатацию корабля при различных режимах плавания, а также в процессе эксплуатации для их контроля и регулирования с целью обеспечения безопасности плавания.
     В виду того, что корабль - твердое тело, наука о теории корабля опирается на законы теоретической механики, но поскольку движение его происходит в жидкости, требуется знание законов движения жидкости, т. е. гидромеханики, поэтому теорию корабля иногда называют гидромеханикой корабля.
     Рассмотрим основные определения мореходных качеств.
     Плавучесть - способность свободного корабля плавать в определенном положении относительно поверхности воды.
     Остойчивость - способность корабля, выведенного из положения равновесия внешним воздействием, возвращаться в положение равновесия после прекращения этого воздействия.
     В процессе эксплуатации корабля возможно возникновение аварийных ситуаций, при этом корабль должен сохранять в определенной мере плавучесть и остойчивость, т. е. обладать непотопляемостью (это не самостоятельное мореходное качество, а способность сохранять мореходные качества).
     Ходкость - способность корабля двигаться с заданной скоростью при эффективном использовании мощности силовой установки.
     Умеренность качки является следующим мореходным качеством. Качка -это колебательное движение корабля при перемещении его или стоянке на поверхности или под поверхностью воды. Качка - исключительно вредное явление. В понятие умеренность качки входят малость и плавность наклонений.
     Управляемость - способность корабля удерживать заданное направление движения или изменять его в соответствии с действиями судоводителя.
     Плавучесть, остойчивость, а также непотопляемость объединяются в раздел, называемый статикой корабля; ходкость, качка и управляемость - в раздел, именуемый динамикой корабля. Указанное выше разделение мореходных качеств носит условный характер. В реальных условиях при движении в море корабль подвержен действию волн и ветра, поэтому рассмотрение плавучести и остойчивости необходимо производить с учетом параметров его качки. С другой стороны, обеспечение плавности качки определенным образом связано с направлением движения корабля, характеристиками волн, параметрами движителей и рулей, а также различных успокоителей качки, т. е. качка, ходкость и управляемость должны рассматриваться вместе.
     Настоящий учебник посвящен рассмотрению статики, т. е. плавучести, остойчивости и непотопляемости корабля.

4

     Учение о плавучести и остойчивости основывается на законе Архимеда, который сводится к следующему: «На всякое тело, погруженное в жидкость, действует со стороны этой жидкости поддерживающая сила, равная силе тяжести вытесненной телом жидкости, направленная вверх и проходящая через центр тяжести вытесненного объема». Поддерживающую силу, действующую на погруженную часть корабля, называют Архимедовой силой.
     Закон Архимеда был открыт в III в. до н. э., но практическое применение его началось лишь в XVII в., когда впервые в 1666 г. английский инженер А. Дин предсказал осадку военного корабля «Рупперт», что дало возможность до его спуска прорезать в бортах порты для пушек.
     В XVIII в. в России и во Франции практически одновременно появились два сочинения, в которых впервые излагались вопросы теории корабля. В 1746 г. издано в Париже членом Французской академии наук П. Бугером сочинение «Трактат о корабле, его конструкции и о движении». В 1749 г. член Российской академии наук Л. Эйлер опубликовал в Петербурге сочинение «Корабельная наука». В этих трудах было изложено учение о плавучести, сформулировано понятие о метацентре и метацентрической высоте, развито учение о сопротивлении жидкости движению судов, решен целый ряд вопросов, относящихся к мореходным качествам кораблей.
     Разработка вопросов статики продолжалась во второй половине XVIII в. и в первой половине XIX в. Были выработаны практические приемы расчета элементов плавучести и начальной остойчивости по теоретическому чертежу, методы определения положения центра тяжести корабля.
     Английский корабельный инженер Э. Рид во второй половине XIX в. считал недостаточным вычисление только начальной остойчивости и предложил рассматривать характеристики остойчивости парусных бронированных военных кораблей при больших углах наклонений. Внедрение этого предложения в практику кораблестроения началось лишь после гибели в результате действия шквала одного из военных кораблей английской эскадры в 1870 г. Примерно к этому же времени относится переход к применению в статике корабля методов приближенных вычислений.
     К началу XX в. появились снаряды и мины, вызывающие большие пробоины в корпусе корабля, а иногда его затопление и гибель. Возникла необходимость в разработке нового раздела статики - непотопляемости. Учение о непотопляемости создано русскими учеными С. О. Макаровым, А. Н. Крыловым и И. Г. Бубновым. Известный русский ученый и флотоводец адмирал С. О. Макаров на основе анализа аварий и гибели ряда кораблей русского военного флота сформулировал требования к непотопляемости военных кораблей. Идеи С. О. Макарова А. Н. Крылов теоретически развил и воплотил в инженерную практику. В русском кораблестроении были введены предложенные А. Н. Крыловым «Таблицы непотопляемости»; за границей они были введены значительно позже.
     В связи с непотопляемостью необходимо также упомянуть имена И. Г. Бубнова и Р. А. Матросова. И. Г. Бубнов исследовал зависимость характеристик непотопляемости корабля от подразделения его корпуса на водонепро

5

ницаемые отсеки. Р. А. Матросов впервые выполнил анализ остойчивости поврежденного корабля при больших наклонениях. Ученики и последователи А. Н. Крылова и И. Г. Бубнова успешно развивали теоретические положения и инженерные методы расчета непотопляемости применительно к кораблям различных типов. Особенно много в этой области сделали Ю. А. Шиманский, В. Г. Власов, В. В. Семенов-Тян - Шанский, С. Н. Благовещенский, Д. В. Доро-гостайский, Н. Я. Мальцев, Н. П. Муру.
     В связи с ростом в последние десятилетия тоннажа, числа и типов судов мирового транспортного флота, возросло количеств аварий в процессе эксплуатации судов, поэтому классификационные общества повысили требования к мореходным качествам судов и в том числе к плавучести и остойчивости неповрежденного и поврежденного судов. Большое развитие получили исследования по нормированию остойчивости и непотопляемости судов транспортного флота. Большой вклад в эти исследования внесли С. Н. Благовещенский, В. В. Луговский и другие ученые.
     В. В. Луговский исследовал теоретические основы нормирования остойчивости, Н. Б. Севастьянов разработал предложения по нормированию остойчивости судов промыслового флота. В. Н. Волков, В. С. Дорин и В. Ф. Мейлу-нас предложили вероятностные оценки непотопляемости морских транспортных судов.
     Большинство основных расчетов по статике корабля раньше производили приближенными методами в табличной форме с помощью логарифмической линейки и арифмометра. Для выполнения всего необходимого комплекса расчетов элементов статики требовалось большое количество времени. В настоящее время расчеты статики выполняются на ЭВМ. Большой вклад в разработку алгоритмов, программ и методик расчетов элементов статики на ЭВМ внесли М. Н. Рейнов и В. И. Брегман. В 60-х гг. нашего столетия они положили начало этим исследованиям. Алгоритмы и программы расчетов статики корабля, разработанные под руководством М. Н. Рейнова, вошли в первую отечественную систему автоматического проектирования судов и используются во всех центральных конструкторских бюро.
     Для обеспечения надежной эксплуатации морских транспортных судов результаты расчетов элементов плавучести, остойчивости и непотопляемости находятся в распоряжении капитана судна. Если ранее эти данные представляли в виде чертежей и таблиц, то в последнее время разработаны программные комплексы для расчета на бортовых ЭВМ допустимых характеристик плавучести, остойчивости и непотопляемости при различных состояниях нагрузки судна. Большие работы в этом направлении были проведены в ЦНИИ Морского флота под руководством В. Б. Липиса.

6

Глава 1. ПЛАВУЧЕСТЬ

1.1. Теоретический чертеж судна. Главные размерения


     Мореходные качества судов существенно зависят от размеров и формы корпуса, поэтому, прежде чем приступить к их расчетам, необходимо описать форму корпуса. Существуют аналитический (в виде формул), табличный и графический способы описания. Аналитическое описание из-за сложности судовых обводов может быть только приближенным и применяется редко (в последнее время в связи с внедрением ЭВМ развиваются более точные методы аналитического описания). Табличное описание не является наглядным и может служить только как вспомогательное. Наиболее наглядно и точно форма корпуса описывается графически с помощью теоретического чертежа.
     Теоретический чертеж является основным проектным документом, он служит основой не только для расчета мореходных качеств, но и для разработки чертежей общего расположения, для плазовой разметки, для контроля за правильностью сборки корпуса судна во время постройки и т. д. На теоретическом чертеже поверхность корпуса судна изображается без учета наружной обшивки (кроме деревянных судов) в виде трех проекций: «Бока», «Корпуса» и «Полушироты ».
     Рассмотрим более подробно построение этих проекций. В качестве главных плоскостей выбирают диаметральную плоскость (ДП), рассекающую судно вдоль и являющуюся продольной плоскостью симметрии, плоскость мидель-шпангоута, разрезающую судно поперек перпендикулярно ДП на середине расчетной длины судна, и основную плоскость (ОП), перпендикулярную ДП и плоскости мидель-шпангоута и проходящую через точку пересечения этих плоскостей с теоретической поверхностью судна в днищевой части (рис. 1.1).


Плоскость

Рис. 1.1. Координатные плоскости

7

     В последние годы появляются плавучие сооружения, несимметричные относительно ДП (плавучие буровые установки, гостиницы и т. д.). Для них определения координатных плоскостей могут быть другими.
     Для судов, плавающих без конструктивного дифферента, верхняя кромка киля совпадает с ОП. В нормальных условиях плавания ДП и плоскость мидель - шпангоута вертикальны, а ОП горизонтальна.
     Сечения поверхности судна плоскостями, параллельными ДП, называются батоксами, сечения поверхности судна плоскостями, параллельными плоскости мидель - шпангоута - шпангоутами, а сечения поверхности судна плоскостями, параллельными ОП, - ватерлиниями.
     Проекции всех сечений на ДП образуют «Бок», на котором батоксы изображаются в виде кривых линий, а шпангоуты и ватерлинии - в виде прямых линий, создавая так называемую сетку (рис. 1.2).
     Проекции всех сечений на плоскость мидель - шпангоута образуют «Корпус». Шпангоуты на этой проекции имеют вид кривых линий, а батоксы и ватерлинии - прямых. Обычно изображают половины шпангоутов: носовые ветви шпангоутов - справа от следа ДП, кормовые - слева. Мидель - шпангоут вычерчивают на оба борта. При проведении расчетов характеристик остойчивости при больших углах крена необходимо вычерчивать шпангоуты на оба борта, поэтому производят перестроение корпуса теоретического чертежа на отдельном листе в необходимом для расчетов масштабе. Об этом более подробно рассказано в соответствующих главах.
     Проекции всех сечений на ОП образуют «Полушироту» (для судна, симметричного относительно ДП, вычерчивают только половины ватерлиний). На полушироте ватерлинии получаются в виде кривых, а шпангоуты и батоксы -в виде прямых линий. На теоретическом чертеже изображают, как правило, равноотстоящие батоксы, ватерлинии и шпангоуты. Число батоксов обычно 4 или 6, ватерлиний 10-15, шпангоутов 21, но в особых случаях количество тех или иных сечений может быть другим. Нумерацию батоксов производят влево и вправо от ДП римскими цифрами (I, II и т. д.), нумерацию ватерлиний от ОП -вверх от 0 до 10-15, нумерацию шпангоутов с носа в корму от 0 до 20, при этом мидель - шпангоут будет иметь номер 10 (обычно его обозначают специальным значком, но мы будем обозначать буквой м). Точки пересечения ватерлиний, батоксов и шпангоутов на всех трех проекциях должны быть согласованы в соответствии с правилами начертательной геометрии.
     Кроме указанных сечений на теоретическом чертеже изображают линии верхней палубы, надстроек, форштевня, ахтерштевня, киля.
     Одна из теоретических ватерлиний, по которой судно может плавать во время эксплуатации (обычно в полном грузу), принимается за главную, или грузовую, ватерлинию (ГВЛ). Для судов, не связанных с перевозкой грузов, эта ватерлиния называется конструктивной (КВЛ).

8

Рис. 1.2. Теоретический чертеж судна

     При расчетах статики вводят две прямоугольные системы координат с началом в точке О - точке пересечения трех главных плоскостей: одна - система Oxyz - связана с судном и другая - полусвязанная система Oxygzg (рис. 1.3). В связанной системе координат плоскость xOz - диаметральная, плоскость хОу - основная, плоскость yOz - плоскость мидель-шпангоута. Ось Ох - линия пересечения ДП и ОП - направлена в нос, ось Оу - линия пересечения ОП и плоскости мидель-шпангоута - на правый борт, ось Oz - линия пересечения ДП и плоскости мидель - шпангоута - вертикально вверх.
     В полусвязанной системе координат ось Ozg направлена вверх перпендикулярно к следу действующей наклонной ватерлинии, а ось Oyg ей параллельна и направлена на правый борт. Эта система координат повернута относительно связанной системы около оси Ох на угол крена в.
     Формулы перехода от связанной к полусвязанной системе координат имеют вид (см. рис. 1.3):
y g = y cos g + z sin g,
z g = z cos g - y sin g ,                 (1.1)
куда у входит со своим знаком: для точек правого борта - положительным, левого - отрицательным.
     Главными размерениями судна являются его длина, ширина, высота борта, осадка. Рассмотрим определения некоторых основных величин (рис. 1.3):
        1)        длина наибольшая Lmax - расстояние по горизонтали между крайними точками форштевня и ахтерштевня;
        2)        длина между перпендикулярами L - расстояние между точками пересечения ГВЛ (КВЛ) с теоретической линией форштевня и осью баллера руля для одновинтовых судов или с теоретической линией ахтерштевня для двухвинтовых судов; эта длина является расчетной и делится на 20 равных частей -теоретических шпаций;
        3)        длина по ГВЛ Lгвл - расстояние между точками пересечения ГВЛ (КВЛ) с форштевнем и ахтерштевнем; для двухвинтовых судов совпадает с длиной между перпендикулярами;
        4)        ширина наибольшая судна Втах - расстояние по ширине между плоскостями, параллельными ДП и касательными к корпусу судна в крайних его точках; обычно наиболее широким является мидель-шпангоут, но иногда наиболее широкий шпангоут смещен в корму;
        5)        ширина наибольшая грузовой ватерлинии В - измеряется на ГВЛ в месте максимальной ширины судна, эта ширина является расчетной;
        6)        высота борта Н - измеряется в плоскости мидель - шпангоута по вертикали от ОП до линии палубы у борта;
        7)        осадка средняя Т - углубление судна, измеряемое в сечении, проходящем через центр тяжести площади ватерлинии; эта величина также является расчетной;
        8)        осадка на мидель-шпангоуте Тм - углубление судна, измеряемое на мидель - шпангоуте; при посадке судна на ровный киль Т = Тм; при наличии угла

10