Результат интеллектуальной деятельности: КОРПУС СУДНА

Изобретение относится к области судостроения, в частности к проектированию корпусов судов.

Известна конструкция части судна вытеснительного типа (Патент РФ на изобретение №2374120, МПК В63В 1/06, опубл. 27.11.2009) с поперечной симметрией относительно центральной оси, причем образующие линии корпуса увеличиваются по ширине от базовой линии. Низ является плоским или имеет килеватость и переходит в днище с заданным радиусом днища. От днища и до заданной высоты образующие линии немного наклонены наружу. На уровне палубы бака форма наклонной наружу линии прекращается и проходит вверх в виде изогнутой линии обратно в направлении центральной оси.

Данная конструкция обладает следующими недостатками:

- судно имеет большую парусность;

- рулевая рубка удалена от машинного отделения, что затрудняет прокладку кабельных трасс;

- плохие условия обитаемости;

- удары волн могут выбить иллюминаторы в рубке и привести к повреждению навигационного оборудования;

- при большой высоте волн они могут перехлестнуться через надстройку, при этом плоские поверхности палубы будут способствовать захвату носа судна волной [Бураковский Е.П., Бураковский П.Е. Некоторые проблемы обеспечения общей прочности судов в чрезвычайных ситуациях // Труды Крыловского государственного научного центра. - Вып. 82(366), 2014. - С. 21-30];

- плохая всхожесть на волну, т.к. из-за стройности ватерлинии судно врезается в волну, и она скручивается над носом и в сторону, в результате чего нос судна может быть захвачен волной, что приведет к гибели судна.

В качестве ближайшего аналога принят корпус судна, представляющий собой непроницаемую оболочку, состоящую из тонких листов, которые подкреплены балками, выполненными из прокатных или составных сварных профилей (Барабанов Н.В. Конструкция корпуса морских судов. Л., Судостроение, 1981. - 552 с., с. 9-11, рисунок 1).

Данная конструкция обладает существенным недостатком, заключающимся в возможности захвата носовой оконечности волной, что обусловлено наличием плоских поверхностей палубы и надстройки бака, вследствие чего может произойти падение метацентрической высоты и опрокидывание судна [Бураковский Е.П., Бураковский П.Е. Некоторые проблемы обеспечения общей прочности судов в чрезвычайных ситуациях // Труды Крыловского государственного научного центра - Вып. 82(366), 2014 - С. 21-30]. Захват носовой оконечности волной означает, что при сильном заливании палубы она работает в подводном положении как крыло, обтекаемое потоком жидкости, в результате чего на плоских поверхностях возникает равнодействующая сил давления, определяющаяся углом атаки и скоростью набегающей жидкости. Это обтекание неустойчиво, в результате чего равнодействующая может в любой момент сместиться в сторону от диаметральной плоскости и вызвать сильный крен или опрокидывание судна. Под действием равнодействующей гидродинамических сил дифферент судна растет, при этом наблюдается резкое снижение поперечной метацентрической высоты, что способствует опрокидыванию судна.

Изобретение решает задачу повышения безопасности мореплавания, исключая катастрофическое снижение остойчивости судна при захвате волной носовой оконечности за счет ограничения гидродинамической силы, действующей на корпус судна.

Для решения поставленной задачи в корпусе судна, выполненном в виде непроницаемой оболочки, сформированной из наружной обшивки и балок набора, предлагается непроницаемую оболочку выполнить в виде двух отдельных непроницаемых частей - носовой и кормовой, связанных расположенным на носовой стороне корпуса от мидель-шпангоута неразъемным соединением. Прочность неразъемного соединения предлагается выбрать такой, чтобы обеспечить соединение частей до достижения изгибающим моментом М₀, действующим на неразьемное соединение, предельной величины, связанной с критической величиной гидродинамической силы Р_кр, которая соответствует предельно допустимому падению метацентрической высоты для данного судна, следующим соотношением:

где

М₀ - предельная величина изгибающего момента, действующая на неразъемное соединение, Н⋅м;

Р_кр - критическая величина гидродинамической силы, Н;

L_H - длина носовой непроницаемой части, м;

- расстояние от носа судна до точки приложения равнодействующей гидродинамических сил при захвате волной носовой оконечности судна, м;

К_з - коэффициент запаса.

В предлагаемом техническом решении при превышении гидродинамической силой, действующей на носовую оконечность, критического значения происходит разрушение неразъемного соединения, за счет чего исключается опрокидывание судна, а носовая и кормовая непроницаемые части остаются на плаву.

На прилагаемых графических материалах изображен общий вид предлагаемого корпуса судна.

На графических материалах приняты следующие обозначения:

1 - кормовая непроницаемая часть;

2 - носовая непроницаемая часть;

3 - неразъемное соединение;

L - длина судна, м;

L_H - длина носовой непроницаемой части, м;

L_K - длина кормовой непроницаемой части, м;

Р - равнодействующая гидродинамических сил при захвате волной носовой оконечности судна, Н;

- расстояние от носа судна до точки приложения равнодействующей гидродинамических сил при захвате волной носовой оконечности судна, м.

Конструкция корпуса судна состоит из наружной обшивки и балок набора, формирующих кормовую непроницаемую часть 1 и носовую непроницаемую часть 2, которые соединены неразъемным соединением 3.

Корпус судна работает следующим образом. При движении судна на сильном встречном волнении может происходить периодическое погружение в воду носовой оконечности, что ведет к появлению сложного режима обтекания палубы. В таких условиях возможно возникновение значительных нагрузок, действующих на носовую часть палубы корпуса судна, вызванных обтеканием погруженной палубы, которую можно рассматривать как крыло сложной формы, расположенное под углом атаки к набегающему потоку жидкости. Под действием гидродинамической силы дифферент судна будет увеличиваться, а параметры его остойчивости резко снижаться [Бураковский Е.П., Бураковский П.Е. Некоторые проблемы обеспечения общей прочности судов в чрезвычайных ситуациях // Труды Крыловского государственного научного центра - Вып. 82(366), 2014 - С. 21-30]. При достижении гидродинамической силой критического значения в предлагаемой конструкции произойдет разрушение неразъемного соединения 3, в результате чего кормовая непроницаемая часть 1 и носовая непроницаемая часть 2 разъединятся. Их водонепроницаемое исполнение позволит избежать затопления обеих частей. С отсоединением носовой непроницаемой части 2 гидродинамические нагрузки, действующие на кормовую непроницаемую часть 1, уменьшатся, что позволит обеспечить безопасность экипажа, у которого будет время на принятие решений по выбору оптимального режима движения судна и мероприятий по улучшению его остойчивости, либо на эвакуацию в случае неблагоприятного развития ситуации. Конструкция ближайшего аналога в условиях шторма на сильном встречном волнении характеризуется тем, что при захвате волной носовой оконечности вследствие роста гидродинамической силы и падения метацентрической высоты происходит опрокидывание судна, причем процесс этот развивается настолько быстро, что экипаж не успевает предпринять никаких действий.

Для обеспечения своевременного отсоединения носовой непроницаемой части 2 от кормовой непроницаемой части 1 разрушение неразъемного соединения 3 должно происходить тогда, когда значение гидродинамической силы достигнет некоторой критической величины Р_кр, соответствующей предельно допустимому падению метацентрической высоты для данного судна. Ее величина и отстояние точки приложения от носа судна могут быть оценены для каждого конкретного судна с использованием аппарата теории корабля в соответствии с [Бураковский Е.П., Бураковский П.Е. Некоторые проблемы обеспечения общей прочности судов в чрезвычайных ситуациях // Труды Крыловского государственного научного центра - Вып. 82(366), 2014 - С. 21-30].

Для обеспечения эффективности предлагаемой конструкции необходимо, чтобы при приближении значения гидродинамической силы к величине Р_кр действующий в неразъемном соединении 3 изгибающий момент был равен предельному моменту М₀, при котором происходит разрушение неразъемного соединения 3, с учетом коэффициента запаса К_з. Из этого условия можно определить требуемый предельный момент для неразъемного соединения 3, при котором будет происходить его разрушение

где М₀ - предельная величина изгибающего момента, действующая на неразъемное соединением, Н⋅м;

Р_кр - критическая величина гидродинамической силы, Н;

L_H - длина носовой непроницаемой части, м;

- расстояние от носа судна до точки приложения равнодействующей гидродинамических сил при захвате волной носовой оконечности судна, м;

К_з - коэффициент запаса.

Для обеспечения непотопляемости носовой непроницаемой части 2 и кормовой непроницаемой части 1 в районе неразъемного соединения 3 необходима установка двух водонепроницаемых переборок. Их прочность должна удовлетворять требованиям, предъявляемым к бортовым перекрытиям рассматриваемого судна, так как после отделения носовой непроницаемой части 2 эти переборки окажутся под воздействием нагрузок, сопоставимых с теми, которые действуют на бортовые перекрытия. Обеспечение разрушения неразъемного соединения 3 при достижении изгибающим моментом требуемой величины М₀ может быть достигнуто за счет использования листов наружной обшивки меньшей толщины между указанными переборками, чем для соседних районов корпуса, либо путем проточки канавок, обеспечивающих местное ослабление обшивки. Кроме того, возможно использование болтовых и заклепочных соединений листов в районе неразъемного соединения 3, при этом болты либо заклепки должны срезаться усилием, возникающим при достижении изгибающим моментом в сечении корпуса величины М₀. Также возможно применение сварных швов, прочность которых должна быть ниже, чем прочность пластин обшивки. Указанные способы могут быть применены и для соединения балок продольного набора корпуса в районе неразъемного соединения 3.

Следует заметить, что чрезмерное уменьшение величины М₀ может привести к недопустимому снижению прочности корпуса судна и его разрушению в процессе нормальной эксплуатации, не сопряженной с воздействием экстремальных нагрузок в процессе захвата волной носовой оконечности. Для предотвращения такой ситуации может потребоваться реализация мероприятий, увеличивающих значения Р_кр, т.е. повышающих остойчивость судна, например, за счет укладки твердого балласта. Это позволит обеспечить достаточную прочность корпуса судна и эффективность предлагаемых конструктивных решений.

Таким образом, предлагаемая конструкция позволяет исключить потерю остойчивости судном при движении на встречном волнении в штормовых условиях, что способствует повышению безопасности мореплавания.