Коваленко Б.П. Основы остойчивости судна - файл n1.doc

Коваленко Б.П. Основы остойчивости судна
скачать (3575 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc3575kb.14.09.2012 14:03скачать

n1.doc



Коваленко

Борис Павлович

канд. техн. наук, доцент
Основы остойчивости судна
Пособие для судоводителей
Санкт-Петербург, 2003 г.

Оглавление



  1. Введение. …………………………………………….….…файл .1

2. Основные принципы остойчивости судна….……….…. файл.2

  1. Поперечная остойчивость судна. ………………………..…. 5

  2. Динамическая остойчивость судна. ………………………..…18

  3. Использование диаграммы динамической остойчивости. ..…23

  4. Проблема нормирования остойчивости морских судов. ….…24

  5. Информация об остойчивости и прочности судна.

Типовая информация об остойчивости и прочности


грузового судна. ………………………………….……………..31

  1. Особенности остойчивости судна в специальных случаях. …32

  2. Основы начальной остойчивости судна. …………………...…33


Заключение. …………………………………………………..……35

С
Эта работа посвящается

140-летнему юбилею

со дня рождения

академика

Алексея Николаевича

Крылова
писок рекомендуемой литературы. ………………………….…36




Основы остойчивости судна

1. Введение




Данное учебное пособие содержит материал по курсу «Теория и устройство судна», раздел «Остойчивость морских судов». Учебное пособие ставит своей целью дополнить материал существующих учебников по Теории судна описанием процедуры контроля остойчивости, а также показать применение сведений по остойчивости судов в практической деятельности судоводителя на морском транспорте. Учебное пособие может оказаться полезным при самоподготовке курсантов и изучении вопросов остойчивости. Некоторые вопросы остойчивости, в частности, начальной остойчивости, даются в сокращенном изложении, поскольку эти вопросы достаточно полно изложены в существующей учебной литературе и не подвергались существенным изменениям за последнее время. Большее внимание уделяется физической стороне остойчивости и принципам, лежащим в основе нормирования остойчивости и контроля ее в судовых условиях.

Остойчивость судна – это весьма сложное свойство судна, важнейшее мореходное качество, от которого зависит безопасность судна и экипажа. Остойчивость судна требует от судоводителя расчетного контроля состояния перед погрузкой судна, в течение всего рейса и при выгрузке судна, прибывшего в порт назначения.

Обеспечение остойчивости является проблемой, к которой привлечено внимание не только ученых и конструкторов, но и многих международных и правительственных организаций, обязанных заниматься безопасностью мореплавания и, в первую очередь, проблемами, связанными с остойчивостью.

Остойчивость судна чрезвычайно многообразна в своих проявлениях и требует от судоводителя постоянного повышения квалификации в данном вопросе, углубленного понимания и свободного профессионального владения теоретическим материалом и практическими методами и действующими методиками.

Только при выполнении всех перечисленных подходов в изучении остойчивости судоводитель сможет осуществить безаварийную эксплуатацию судна и управление им.
2. Основные принципы остойчивости судна.

Остойчивостью судна называют такое его свойство, благодаря которому судно при воздействии на него внешних факторов (ветер, волны и др.) и внутренних процессов (смещение грузов, перемещение жидких запасов, наличие свободных поверхностей жидкости в отсеках и т.д.) не переворачивается. Остойчивость судна – одно из его мореходных качеств: плавучести, остойчивости, ходкости, качки, управляемости.

Наиболее ёмким определением остойчивости судна может быть следующее: способность судна не переворачиваться при воздействии на него природных морских факторов (ветра, волнения, обледенения) в назначенном ему районе плавания, а также в сочетании с «внутренними» причинами, вызванными действиями экипажа.

Остойчивость водоизмещающих судов (судов, плавающих на поверхности воды) по своему механизму возникновения отличается как от подводных судов, так и от судов с динамическими принципами поддержания, хотя и они должны обладать этим мореходным качеством.

В настоящее время в научных исследованиях, посвященных остойчивости водоизмещающих судов, рассматривается очень сложное взаимодействие нескольких факторов – шквалистого ветра, нерегулярного морского волнения, динамики жидкости во внутренних помещениях и отсеках судна и на палубе, а также динамики судна со сместившимся грузом.

В практических задачах, связанных с нормальной эксплуатацией судна, экипаж сталкивается только с проверкой остойчивости судна, подчиненной строгим методикам, либо решением частных задач, например, о влиянии перемещения твердых и жидких грузов, об оценке величины крена и дифферента судна, либо в задачах, связанных уже с аварийной остойчивостью и непотопляемостью.

Остойчивость водоизмещающего судна основана на природном свойстве плавающего на поверхности воды объекта - стремится вернуться в первоначальное положение после прекращения этого воздействия. Таким образом, остойчивость, с одной стороны, естественна, а, с другой, требует регламентированного контроля со стороны человека, принимающего участие в его проектировании и эксплуатации.

При проектировании судна стараются обеспечить определенный диапазон возможностей в части остойчивости, но любые действия экипажа по изменению нагрузки судна требуют строгого расчетного контроля для обеспечения безопасности.

Водоизмещающее судно, плавающее на поверхности тихой воды, в спокойном состоянии при определённых внешних воздействиях может находиться в равновесии. Это вертикальное равновесие обеспечивается за счет равенства сил тяжести (водоизмещения) судна и противодействующих им сил поддержания (или сил плавучести) со стороны воды. Условия и свойства вертикального равновесия судна рассматриваются в теории судна в разделе плавучести.

Эти же две категории сил участвуют в обеспечении остойчивости, хотя их взаимодействие при крене судна существенно изменяется.

Вес судна (точнее «весовое водоизмещение») представляется в теории судна как сосредоточенная сила тяжести, приложенная в центре тяжести судна. Эта идеализация вполне допустима в задачах остойчивости и совершенно не годится в задачах прочности судна. В действительности вес судна представляет собой распределенную по длине, ширине и высоте судна неравномерную нагрузку, которая меняется при любых действиях экипажа по перемещению и расходованию грузов и запасов. Вторая сила – сила плавучести, так же как и вес судна, в остойчивости представляется как сосредоточенная сила, приложенная к судну в центре подводного объема, называемом «центром величины».

В действительности реакция воды на неподвижное судно, погруженное в неё, проявляется в виде неравномерно распределённого гидростатического давления в точках наружной поверхности погруженного корпуса.

При наклонениях судна эта распределенная нагрузка изменяется по своему характеру, однако, результирующая вертикальная сила (сила плавучести) остается постоянной согласно третьему закону Ньютона («действие равно противодействию»).

Перераспределение гидростатического давления по поверхности судна при его наклонении приводит к изменению положения «центра величины» внутри судна.

При вертикальном положении судна центр тяжести и центр величины расположены на одной вертикали, следовательно, момент силы веса и плавучести равен нулю.

В наклонном положении судна эти силы уже не лежат на одной вертикали, хотя и остаются параллельными, и образуют в пространстве пару сил, момент которой не равен нулю.

В остойчивости принято методически выделять поперечную и продольную остойчивость как самостоятельные разделы этой дисциплины. В большинстве практических задач такое разделение наклонений судна допустимо. Механика остойчивости в продольной и поперечной плоскостях аналогична, хотя порядок участвующих величин сильно отличается. Отличаются также методы и подходы, что сделало эти разделы единой науки относительно независимыми.

Для наклоненного судна схема действия сил сводится к паре сил (силам веса и поддержания), обладающим некоторым моментом, который принято называть восстанавливающим моментом. Знак этого момента принимают положительным, если его действие стремится уменьшать угол крена.

Важно, что появление восстанавливающего момента – это только реакция судна на появление крена или дифферента, то есть на изменение симметрии формы его подводного объема. При всех свободных наклонениях, при которых на судно извне действуют только внешние моменты (а не изолированные силы), судно только наклоняется (поворачивается), но не получает линейного перемещения (дрейфа или погружения). Иными словами, крен и дифферент судна – это результат совместного воздействия кренящих и восстанавливающих моментов. Без внешних моментов симметричное по форме корпуса и симметрично загруженное судно (с центром тяжести в диаметральной плоскости) плавает по поверхности воды в прямом положении.

Однако, вертикально плавающее судно при появлении внешних моментов в первый момент не оказывает им противодействия (поскольку вес и сила поддержания проходят по одной прямой). Вследствие отсутствия этого противодействия судно начинает наклоняться, изменяя конфигурацию подводного объема и «теряя симметрию» погруженного объёма. Процесс наклонения заканчивается тогда, когда внутренний (восстанавливающий) момент достигает величины внешнего момента и наступает новое состояние равновесия, теперь уже - для наклоненного судна. И это состояние будет сохраняться, пока внешний момент не изменится или не исчезнет. Как только это произойдет, восстанавливающий момент заставит судно принять вновь вертикальное положение, т. е. «восстановит» судно. При любом изменении баланса между внешним кренящим и восстанавливающим моментом судно будет изменять свое положение на поверхности воды в направлении действия большего по величине момента.

Такова физическая картина, рассматриваемая в разделе теории остойчивости, называемом статической остойчивостью.

При прочих условиях, когда процесс наклонения рассматривается протекающим во времени, а внешний кренящий и восстанавливающий моменты изменяются по величине (и во времени) следует учитывать инерцию самого судна и окружающей жидкости. Этот круг вопросов составляет предмет динамической остойчивости.

Таким образом, статическая остойчивость изучает равновесные состояния судна под действием постоянных внешних моментов, и условия этого равновесия, а динамическая остойчивость занимается комплексом проблем, включая опрокидывание судна в реальных условиях его эксплуатации.

Если рассматривать наклонения в продольной (диаметральной) и в поперечной (в плоскости миделя) плоскостях, то можно говорить о продольной и поперечной остойчивости судна.

Теория продольной остойчивости позволяет рассчитать и предсказать дифферент судна и его посадку на тихой воде, что очень важно для экипажа при решении проблем загрузки судна, обеспечения прочности, определения количества груза на судне, безопасной его посадки, заливаемости, слемминга и т.д.

Теория поперечной остойчивости позволяет судоводителю

-оценивать уровень безопасности мореплавания,

-планировать и осуществлять действия по распределению грузов и запасов на судне,

-выполнять необходимые расчеты по методикам контроля остойчивости Регистра судоходства и ИМО,

-обосновывать те или иные действия по изменению загрузки судна.
Кроме того, существует условное методическое разделение остойчивости на начальную остойчивость и остойчивость при больших наклонениях.

В первом случае удается за счет введения упрощающих предположений получить несложные расчетные формулы для некоторых важных величин, а во втором – применять графоаналитические методы при невозможности применения простых формул начальной остойчивости.
3. Поперечная остойчивость судна
В теории поперечной остойчивости рассматриваются наклонения судна, происходящие в плоскости миделя, причем внешний момент, называемый кренящим моментом, также действует в плоскости миделя.

Не ограничиваясь пока малыми наклонениями судна (они будут рассмотрены как частный случай в разделе «Начальная остойчивость»), рассмотрим общий случай накренения судна от действия постоянного во времени внешнего кренящего момента. На практике такой кренящий момент может возникать, например, от действия постоянного по силе ветра, направление которого совпадает с поперечной плоскостью судна – плоскостью миделя. При воздействием этого кренящего момента судно имеет постоянный крен на противоположный борт, величина которого определяется силой ветра и восстанавливающим моментом со стороны судна.

В литературе по теории судна принято совмещать на рисунке сразу два положения судна – прямое и с креном. Накрененному положению соответствует новое положение ватерлинии относительно судна, которому соответствует постоянный погруженный объем, однако, форма подводной части накрененного судна уже не обладает симметрией: правый борт погружен больше левого (Рис.1).

Все ватерлинии, соответствующие одному значению водоизмещения судна (при постоянном весе судна) принято называть равнообъемными.

Точное изображение на рисунке всех равнообъемных ватерлиний сопряжено с большими сложностями расчетного характера. В теории судна существует несколько методик для графического изображения равнообъемных ватерлиний. При очень малых углах крена (при бесконечно малых равнообъемных наклонениях) можно воспользоваться следствием из теоремы Л. Эйлера, согласно которому две равнообъемные ватерлинии, отличающиеся на бесконечно малый угол крена, пересекаются по прямой, проходящей через их общий центр тяжести площади (при конечных наклонениях это утверждение теряет силу, поскольку каждая ватерлиния имеет свой центр тяжести площади).




Рис.1. Схема образования восстанавливающего момента.
Если отвлечься от реального распределения сил веса судна и гидростатического давления, заменив их действие сосредоточенными равнодействующими, то приходим к схеме (Рис.1). В центре тяжести судна приложена сила веса, направленная во всех случаях перпендикулярно к ватерлинии. Параллельно ей действует сила плавучести, приложенная в центре подводного объема судна – в так называемом центре величины (точка С).

Вследствие того, что поведение (и происхождение) этих сил не зависят друг от друга, они уже не действуют вдоль одной линии, а образуют пару сил, параллельных и перпендикулярных действующей ватерлинии В1Л1. В отношении силы веса Р можно сказать, что она остается вертикальной и перпендикулярной поверхности воды, а накрененное судно отклоняется от вертикали, и лишь условность рисунка требует отклонять вектор силы веса от диаметральной плоскости. Специфику такого подхода легко себе уяснить, если представить ситуацию с закрепленной на судне видеокамерой, дающей на экране поверхность моря, наклоненную на угол, равный углу крена судна.

Полученная пара сил создаёт момент, который принято называть восстанавливающим моментом. Этот момент противодействует внешнему кренящему моменту и является главным объектом внимания в теории остойчивости.

Величина восстанавливающего момента может быть вычислена по формуле (как для любой пары сил) как произведение одной (любой из двух) силы на расстояние между ними, называемое плечом статической остойчивости:
Мв (?) = Р · l (?) (1)


Формула (1) указывает на то, что и плечо и сам момент зависят от угла крена судна, т.е. представляют собой переменные (в смысле крена) величины.

Однако, не при всех случаях направление восстанавливающего момента будет соответствовать изображению на Рис.1.

Если центр тяжести (в результате особенностей размещения грузов по высоте судна, например, при избытке груза на палубе) оказывается довольно высоко, то может возникнуть ситуация, когда сила веса окажется справа от линии действия силы поддержания. Тогда их момент будет действовать в противоположном направлении и будет способствовать накренению судна. Вместе с внешним кренящим моментом они будут опрокидывать судно, поскольку других противодействующих моментов больше нет.

Ясно, что в этом случае следует оценивать эту ситуацию как недопустимую, т. к. судно остойчивостью не обладает. Следовательно, при высоком положении центра тяжести судно может терять это важное мореходное качество – остойчивость.

На морских водоизмещающих судах возможность осуществлять воздействие на остойчивость судна, «управлять» ею, предоставляется судоводителю только путем рационального размещения грузов и запасов по высоте судна, определяющих положение центра тяжести судна. Как бы то ни было, влияние членов экипажа на положение центра величины исключено, поскольку оно связано с формой подводной части корпуса, которая (при постоянном водоизмещении и осадке судна) неизменна, а при наличии крена судна изменяется без участия человека и зависит только от осадки. Влияние человека на форму корпуса заканчивается на стадии проектирования судна.

Таким образом, очень важное для безопасности судна положение центра тяжести по высоте находится в «сфере влияния» экипажа и требует постоянного контроля посредством специальных вычислений.

Для расчетного контроля наличия у судна «положительной» остойчивости используется понятие метацентра и начальной метацентрической высоты.

Поперечный метацентр – это точка, являющаяся центром кривизны той траектории, по которой центр величины перемещается при накренении судна.


Следовательно, метацентр (так же как и центр величины) является специфической точкой, поведение которой исключительно определяется лишь геометрией формы судна в подводной части и его осадкой.

Положение метацентра, соответствующее посадке судна без крена, принято называть начальным поперечным метацентром.

Расстояние между центром тяжести судна и начальным метацентром в конкретном варианте загрузки, измеренное в диаметральной плоскости (ДП), называется начальной поперечной метацентрической высотой.

На Рис.2 видно, что чем ниже располагается центр тяжести по отношению к постоянному (для данной осадки) начальному метацентру, то тем больше будет метацентрическая высота судна, т.е. тем больше оказывается плечо восстанавливающего момента и сам этот момент.


Рис.2. Зависимость плеча восстанавливающего момента

от положения центра тяжести судна.

Таким образом, метацентрическая высота является важной характеристикой, служащей для контроля наличия у судна остойчивости. И чем больше её величина, тем больше при тех же углах крена будет величина восстанавливающего момента, т.е. противодействие судна накренению.

При малых накренениях судна метацентр приблизительно находится на месте начального метацентра, поскольку траектория центра величины (точки С) близка к окружности, и её радиус постоянен. Из треугольника с вершиной в метацентре (Рис. 2а) вытекает полезная формула, справедливая при малых углах крена (?<100ч120):
l (?) = h0 sin ? ? h0 ?, (2)
где угол крена ? следует использовать в радианах.
Из выражений (1) и (2) легко получить выражение:
(3)

которое показывает, что плечо статической остойчивости и метацентрическая высота не зависят от веса судна и его водоизмещения, а представляют собой универсальные характеристики остойчивости, с помощью которых можно сравнивать остойчивость судов разных типов и размеров.


Рис.2а. Плечо статической остойчивости

Так для судов с высоким положением центра тяжести (лесовозы) начальная метацентрическая высота принимает значения h0 ? 0 – 0,30 м, для сухогрузных судов h0 ? 0 – 1,20 м, для балкеров, ледоколов, буксиров h0 > 1,5 ч 4,0 м.

Однако, метацентрическая высота отрицательных значений принимать не должна. Формула (1) позволяет сделать другие важные выводы: поскольку порядок величин восстанавливающего момента определяется в основном величиной водоизмещения судна Р, то плечо статической остойчивости является «управляющей величиной», влияющей на диапазон изменения момента Мв при данном водоизмещении. И от малейших изменений l (?) за счет неточностей его вычисления или погрешностей исходной информации (данные, снимаемые с судовых чертежей, либо замеряемые параметры на судне) существенно зависит величина момента Мв, определяющего способность судна сопротивляться наклонениям, т.е. определяющего его остойчивость.

Таким образом, начальная метацентрическая высота играет роль универсальной характеристики остойчивости, позволяющей судить о её наличии и величине безотносительно от размеров судна.

Если проследить за механизмом остойчивости при больших углах крена, то проявятся новые особенности восстанавливающего момента.

При произвольных поперечных наклонениях судна кривизна траектории центра величины С изменяется. Эта траектория - уже не окружность с постоянным радиусом кривизны, а является некой плоской кривой, имеющей в каждой своей точке разные значения кривизны и радиуса кривизны. Как правило, этот радиус с креном судна увеличивается и поперечный метацентр (как начало этого радиуса) выходит из диаметральной плоскости и перемещается по своей траектории, отслеживая перемещения центра величины в подводной части судна. При этом, разумеется, само понятие метацентрической высоты становится неприменимым, и лишь восстанавливающий момент (и его плечо l (?)) остаются единственными характеристиками остойчивости судна при больших наклонениях.

Однако, при этом начальная метацентрическая высота не теряет своей роли быть основополагающей исходной характеристикой остойчивости судна в целом, поскольку от её величины, как от некоего «коэффициента масштаба» зависит порядок величин восстанавливающего момента, т.е. её косвенное влияние на остойчивость судна на больших углах крена сохраняется.

Итак, для контроля остойчивости судна, осуществляемого перед загрузкой, необходимо на первом этапе оценить значение начальной поперечной метацентрической высоты h0, пользуясь выражением:


h0 = zM0 (d) - zG, (4)
где zG и zM0 – аппликаты центра тяжести и начального поперечного метацентра, соответственно, отсчитываемые от основной плоскости, в которой располагается начало связанной с судном системы координат ОХYZ (Рис. 3).

Выражение (4) одновременно отражает степень участия судоводителя в обеспечении остойчивости. Выбирая и контролируя положение центра тяжести судна по высоте, экипаж обеспечивает остойчивость судна, а все геометрические характеристики, в частности, ZM0 , должны быть предоставлены проектантом в виде графиков от осадки d, называемых кривыми элементов теоретического чертежа.

Дальнейший контроль остойчивости судна производится по методике Морского Регистра судоходства (РС) или по методике Международной Морской Организации (ИМО), рассмотренных в п.6.


Рис. 3. Начальная поперечная метацентрическая высота




Рис. 4. Диаграмма статической остойчивости.


Плечо восстанавливающего момента l и сам момент Мв имеют геометрическую интерпретацию в виде Диаграммы статической остойчивости (ДСО) (Рис.4). ДСО – это графическая зависимость плеча восстанавливающего момента l (?) или самого момента Мв (?) от угла крена ?.
Этот график, как правило, изображают для крена судна только на правый борт, поскольку вся картина при крене на левый борт для симметричного судна отличается только знаком момента Мв (?).
Значение ДСО в теории остойчивости очень велико: это не только графическая зависимость Мв (?); ДСО содержит в себе исчерпывающую информацию о состоянии загрузки судна с точки зрения остойчивости. ДСО судна позволяет решать многие практические задачи в данном рейсе и является отчетным документом для возможности начать загрузку судна и отправку его в рейс.

В качестве свойств ДСО можно отметить следующие:



? ? 0 = h0 (5)
Для подтверждения правильности построения ДСО на ней делают построение: откладывают угол ? = 1 рад (57,30) и строят треугольник с гипотенузой, касательной к ДСО при ? = 0, и горизонтальным катетом ? = 57,30. Вертикальный (противолежащий) катет должен оказаться равным метацентрической высоте h0 в масштабе оси l (м).



Угол крена ? = ?3, при котором график ДСО пересекает ось абсцисс, называется углом заката ДСО. Угол заката ?3 определяет только то значение угла крена, при котором сила веса и сила плавучести будут действовать вдоль одной прямой и l ( ?3) = 0. Судить об опрокидывании судна при крене

? = ?3 не будет верным, поскольку опрокидывание судна начинается гораздо раньше - вскоре после преодоления максимальной точки ДСО. Точка максимума ДСО (l = lm(?m)) свидетельствует только о максимальном удалении силы веса от силы поддержания. Однако, максимальное плечо lm и угол максимума ?m являются важными величинами при контроле остойчивости и подлежат проверке на соответствие соответствующим нормативам.

ДСО позволяет решать многие задачи статики судна, например, определять статический угол крена судна при действии на него постоянного (независящего от крена судна) кренящего момента Мкр = const. Этот угол крена может быть определен из условия равенства кренящего и восстанавливающего моментов Мв (?) = Мкр. Практически эта задача решается как задача по нахождению абсциссы точки пересечения графиков обоих моментов (Рис.5).



Рис. 5. Взаимодействие кренящего и восстанавливающего моментов.
Диаграмма статической остойчивости отражает возможность судна создавать восстанавливающий момент при наклонении судна. Её вид имеет строго конкретный характер, соответствующий параметрам загрузки судна только в данном рейсе (Р = Рi , h0 = h0i). Судоводитель, занимающийся на судне вопросами планирования рейса погрузки и расчетами остойчивости, обязан построить конкретную ДСО для двух состояний судна в предстоящем рейсе: с неизменным первоначальным расположением груза и при 100 % и при 10 % судовых запасов.

Чтобы иметь возможность строить диаграммы статической остойчивости при различных сочетаниях водоизмещения и метацентрической высоты, он пользуется вспомогательными графическими материалами, имеющимися в судовой документации по проекту этого судна, например, пантокаренами, либо универсальной диаграммой статической остойчивости.
Пантокарены.



Пантокарены поставляются на судно проектировщиком в составе информации об остойчивости и прочности для капитана. Пантокарены представляют собой универсальные графики для данного судна, отражающие форму его корпуса в части остойчивости.

Пантокарены (Рис. 6) изображены в виде серии графиков (при разных углах крена ( ? = 10,20,30,….70˚)) в зависимости от веса судна (или его осадки) некоторой части плеча статической остойчивости, называемой плечом остойчивости формы – lф, ?).


Рис. 6. Пантокарены.
Плечо формы - это расстояние, на которое переместится сила плавучести относительно исходного центра величины C? при крене судна (Рис. 7). Понятно, что это смещение центра величины связано только с формой корпуса и не зависит от положения центра тяжести по высоте. Набор значений плеча формы при разных углах крена (при конкретном весе судна Р=Рi) снимают с графиков пантокарен (Рис. 6).

Чтобы определить плечи остойчивости l (?) и построить диаграмму статической остойчивости в предстоящем рейсе необходимо дополнить плечи формы – плечами веса lв, которые легко рассчитать (см. Рис. 7):
lв = (zG – zCo) sin ? . (6)
Тогда ординаты будущей ДСО получаются по выражению:
l (?) = lф (Р,?) – lв (zG,?) (6а)




Рис.7. Плечи остойчивости формы и веса.


Выполнив вычисления для двух состояний нагрузки (Рзап. = 100% и 10%), строят на чистом бланке две ДСО, характеризующих остойчивость судна в этом рейсе. Остается выполнить проверку параметров остойчивости на их соответствие национальным или международным нормативам по остойчивости морских судов.
Существует второй способ построения ДСО, использующий универсальную ДСО данного судна (зависит от наличия на судне конкретных вспомогательных материалов).

Универсальная диаграмма статической остойчивости.
Универсальная ДСО (Рис.6а) объединяет в себе преобразованные пантокарены для определения lф и графики плеч веса lв (?). Чтобы упростить вид графических зависимостей lв (?) (см. формулу (6)) потребовалось сделать замену переменной q = sin ?, в результате синусоидальные кривые lв (?) трансформировались в прямые линии lв (q(?)). Но чтобы это осуществить, необходимо было принять неравномерную (синусоидальную) шкалу по оси абсцисс ?.




Рис. 6а. Универсальная диаграмма статической остойчивости.
На универсальной ДСО, представляемой проектантом судна, имеются оба вида графических зависимостей - lф (Р,?) и lв (zG,?). В связи с изменением оси абсцисс, графики плеча формы lф уже не похожи на пантокарены, хотя заключают в себе тот же объем информации о форме корпуса, что и пантокарены.

Для использования универсальной ДСО необходимо с помощью измерителя снять с диаграммы расстояния по вертикали между кривой lф (?, Р*) и кривой lв (?, zG*) для нескольких значений угла крена судна ? = 10, 20, 30, 40 … 700, что будет соответствовать применению формулы (6а). А затем на чистом бланке ДСО выстроить эти величины как ординаты будущей ДСО и соединить точки плавной линией (ось углов крена на ДСО теперь уже принимается с равномерной шкалой).

В обоих случаях, и при использовании пантокарен, и при использовании универсальной ДСО, конечная ДСО должна получаться одинаковой.
На универсальной ДСО иногда присутствует вспомогательная ось метацентрической высоты (справа), которая облегчает построение конкретной прямой со значением zG*: соответствующим некоторому значению метацентрической высоты h0*, поскольку
ho = zmo – zG = zmo – (zmo – ho) (7)
Обратимся теперь к способу определения координат центра тяжести судна XG и ZG. В информации об остойчивости судна всегда можно найти координаты центра тяжести порожнего судна абсциссу xG0 и ординату zG0.

Произведения веса судна на соответствующие координаты центра тяжести называются статическими моментами водоизмещения судна относительно плоскости миделя (Мх) и основной плоскости (Мz); для порожнего судна имеем:
MX0 = P0 · xG0 ; MZ0 = P0 · zG0 (8)
Для загруженного судна эти величины можно вычислить, если суммировать соответствующие статические моменты для всех грузов, запасов в цистернах, балласта в балластных цистернах и порожнего судна:
MY = P0 XG0 + ? Pi XGi

MZ = P0 ZG0 + ? Pi ZGi (9)
Для статического момента МZ необходимо добавить специальную положительную поправку, учитывающую опасное влияние свободных поверхностей жидких грузов, запасов и балласта, имеющуюся в таблицах цистерн судна, ∆МZh:
MZиспр = MZ + ∆МZ h (10)
Эта поправка искусственно увеличивает значение статического момента, чтобы получались худшие значения метацентрической высоты, тем самым расчет ведется с запасом в безопасную сторону.

Разделив теперь статические моменты МХ и MZиспр на полный вес судна в данном рейсе, получаем координаты центра тяжести судна по длине (XG) и исправленную (ZGиспр), которую далее используют для вычисления исправленной метацентрической высоты h0испр:
h0испр = Zmo (d) - ZGиспр (11)
и затем - для построения ДСО. Величина Zmo (d) снимается с кривых элементов теоретического чертежа для конкретной средней осадки.

4. Динамическая остойчивость судна.
В ряде случаев судоводителю приходится обращаться к вопросам динамической остойчивости судна. Конечно, в этих случаях судоводитель не решает сложных задач динамики судна – эта область деятельности ученных и исследователей в области теории судна. Но при решении отдельных задач, например при определении динамического крена, при определении предельных значений восстанавливающего момента, после которых судно опрокидывается, и при проверке соответствия параметров остойчивости принятым международным нормам без вопросов динамической остойчивости, хотя бы даже в упрощенной постановке, не обойтись.

Рассмотрение динамики наклонения судна в поперечной плоскости на этом уровне допустимо без учета инерции судна и потерь энергии на взаимодействие с жидкостью. В такой постановке достаточным оказывается использование понятия механической работы, совершаемой кренящим и восстанавливающим моментами, и сопоставлением их величин между собой.

Прежде чем перейти к специальным средствам теории динамической остойчивости, рассмотрим случай динамического накренения судна под действием ударной нагрузки от внезапного шквалистого ветра, пользуясь диаграммой статической остойчивости.

Предположим, что на плавающее без хода на поверхности спокойной воды судно внезапно обрушивается со стороны борта ветровой шквал. Этот шквал характеризуется возникновением ветровой нагрузки на надводной части судна и приводит к появлению внезапно действующего кренящего момента. Вид этого момента во времени представлены на Рис.8.




Рис. 8. Плечо кренящего момента от шквалистого ветра.

Можно с некоторой погрешностью считать, что величина этого кренящего момента слабо зависит от крена судна, т.е. считать его по крену постоянной величиной Мкр (?) = const. Графическая зависимость такого кренящего момента, помещенная на диаграмму статической остойчивости, выглядит как горизонтальная линия с ординатой, равной величине этого момента (Мкр = М*кр), (Рис. 9).

Рис. 9. Крен судна от действия шквала.


Теперь, если постараться проследить процесс наклонения судна на ДСО, от момента времени, когда восстанавливающий момент еще был равен нулю, то по мере развития (нарастания) угла крена судно будет разгоняться по угловой скорости вращения относительно продольной оси ОХ и приобретать инерцию. Дойдя на ДСО до точки пересечения обоих графиков (точка В на Рис. 9) судно не остановится и будет по инерции крениться дальше.

После точки В разница между обоими участвующими моментами становиться больше в пользу восстанавливающего момента (∆М = Мв – Мкр > 0), следовательно, этот результирующий момент будет совершать работу, пытаясь остановить его накренение. По-видимому, процесс динамического наклонения судна прекратится в момент времени, которому будет соответствовать равенство работ, совершенных каждым из моментов на своем пути.

Вспомним, что в механике работа при вращении тела вычисляется как произведение момента на угловой путь (в нашем случае это текущий угол крена судна). Для постоянного момента его работа вычисляется как произведение кренящего момента на угловой путь.

Для переменного по углу крена восстанавливающего момента работа вычисляется по общей формуле механики с использованием операции интегрирования переменного восстанавливающего момента по углу крена:
(12)
Однако, величина работы в данном случае сама оказывается переменной величиной, т.к. зависит от конечного угла наклонения судна ? = ?*.

В судовых расчетах динамической остойчивости широко используется аналогия между величиной работы и площадью под графиком восстанавливающего момента. В данном рассмотренном случае удобно использовать подобную трактовку для нахождения момента окончания наклонения судна под действием шквала и соответствующий этому моменту динамический угол крена. Этот угол крена может быть найден на Рис. 9 путем взаимного подбора площадей под обоими графиками до их равенства.

Можно сделать вывод о том, что причиной больших динамических отклонений судна (это видно из сравнений крена ?в и ?g при одной и той же величине кренящего момента) является первоначальное «запаздывание» величины восстанавливающего момента, который нарастает постепенно от нуля, и его величина пока меньше величины кренящего момента. За это время, подходя к точке В, судно накапливает инерцию вращения, которую потом ему же самому приходится гасить с помощью увеличившегося к этому времени восстанавливающего момента. Результат этого процесса – значительно большие углы динамического крена по сравнению со статическим, либо даже опрокидывание судна.

Попутно здесь же можно сразу определить тот предельный кренящий динамический момент, действие которого судно уже удержать не сможет, обладая данной остойчивостью и ДСО.

Такой предельный момент называется опрокидывающим моментом опр). Его значение находят на ДСО способом последовательных приближений, постепенно увеличивая величину кренящего момента (подбором более интенсивного шквала); наступает момент расчета, когда для площади под графиком кренящего момента Мкр (?) уже не найдется равной по величине площади под графиком ДСО.
Как видно, решение задачи по нахождению опрокидывающего момента с помощью ДСО, сопряжено с необходимостью вычисления площадей и большим объемом вычислений. Для облегчения процедуры вычислений используется диаграмма динамической остойчивости (ДДО).

ДДО представляет собой графическую зависимость работы восстанавливающего момента от угла крена.

Такую диаграмму целесообразно построить заранее, сразу после построения ДСО, и использовать при решении динамических задач.

ДДО вычисляется на основе формулы (12), следовательно, график ДДО обладает свойствами интегральной кривой по отношению к графику подынтегральной функции, т.е. к ДСО. При углах крена ? = 0 и ? = ?3, где Мв = 0, ДДО должна иметь экстремальные точки, т.е. минимум и максимум, соответственно, а при угле крена ? = ?m, где Мв(?) принимает максимальное значение – ДДО будет иметь точку перегиба. Важно отметить, что ДДО при всех вариантах остойчивости судна (при всех h0) должна в начале координат иметь горизонтальную касательную.

Из прочих свойств ДДО можно отметить следующие:





Рис. 10. Диаграммы статической и динамической остойчивости.
ДДО имеет две разновидности (как и соответствующие им ДСО):


(13)
Величину lдин(?*) называют, по аналогии, плечом динамической остойчивости, хотя искать ему геометрическую интерпретацию не следует – эта величина получена чисто формальным путем. Размерность lдин – [м · рад].
Однако, учитывая независимость lдин от веса Р (и размеров) судна, возможно использовать её в задачах нормирования остойчивости, где удобно назначать универсальные константы-нормативы, которые могут использоваться на судах различного водоизмещения.

Судоводителю рекомендуют выполнять расчеты ДДО в табличной форме, где реализуется приближенный способ вычисления интеграла с переменным верхним пределом ? = ?* с использованием правила трапеций с повторениями (пример применения показан в Табл. 1:
Табл. 1.


?

li (?i)

? част

lдин

град

м

М

м · рад

0

0

0




10

0,10

0,10




20

0,20

0,40




30

0,30

0,90




40

0,35

1,55




50

0,30

2,20




60

0,20

2,70




70

0,10

3,00





Величины lдин(?) в четвертой колонке Табл. 1 получаются умножением значений частичной суммы ? част (из третьей колонки) на постоянный сомножитель, являющийся шагом интегрирования: . Рассчитанная диаграмма статической остойчивости строится по значениям lдин из четвертой колонки Табл.1 при значениях угла крена ?, взятых из первой колонки.

5. Использование диаграммы динамической остойчивости
ДДО может быть использована, в частности, при определении угла динамического крена судна ?дин от возникновения шквалистого ветра, т.е. в задаче, решение которой было нами получено с помощью ДСО сравнением площадей.

Для нахождения угла динамического крена от шквала следует на ДДО нанести график работы кренящего момента Акр = М*кр ·?, (или плеча динамической остойчивости lдин(?)), который представлен в виде прямой линии. Наклон графика определяется величиной кренящего момента М*кр, т.к. tg ? = М*кр , (Рис. 11).



Рис. 11. Использование диаграммы динамической остойчивости.



Искомое значение угла динамического крена определяется как абсцисса точки пересечения графиков работы кренящего и восстанавливающего моментов кр (?*дин) = Ав(?*дин)).

Однако, преимущества ДДО проявляются в большей степени при определении с ее помощью опрокидывающего момента. Ранее при использовании ДСО приходилось использовать способ последовательных приближений и производить вычисление площадей под ДСО и графиком Мкр(?). При использовании ДДО решение сводится к определению угла наклона прямой линии (графика Акр (?) или lдин(?)), имеющей последнюю точку соприкосновения с графиком ДДО, где осуществляется равенство работ Акр и Ав.

Тангенс угла наклона касательной, проведённой из начала координат к ДДО, численно равен в масштабе графика опрокидывающему моменту Мопр.


Если эта задача решается с использованием ДДО в форме lдин(?), то результат (тангенс угла наклона касательной к ДДО из точки ? = 0) для получения величины Мопр необходимо умножить на величину водоизмещения судна Р в данном рейсе:
Мопр = Р · lдинопр (14)
Преимущества использования диаграммы динамической остойчивости при решении данной задачи очевидны.

6. Проблема нормирования остойчивости морских судов
Необходимость обеспечения безопасности мореплавания судов привело человечество к созданию нормативных материалов, подчиняющих все сферы деятельности кораблестроителей и мореплавателей – от проектирования судна до его эксплуатации - определенным нормативам и регламентациям. Разные государства шли в направлении решения вопросов безопасности своими путями. Однако, в конце ХХ века появилась необходимость координации деятельности разных государств в этой области и наметилась тенденция к созданию единых нормативов и расчетных методик для всего мирового флота.

В первую очередь, это касалось обеспечения безопасности путем строгого контроля характеристик остойчивости, поскольку именно недостаточность остойчивости обуславливает аварийность флота, связанную с человеческими жертвами. Рациональное, обоснованное расчетами, проектирование судов не могло полностью решить эту проблему.

Проектант не в состоянии полностью оградить экипажи судов (и пассажиров) от возможности опрокидывания судна, поскольку большая доля ответственности ложится на судоводителей и определяется его грамотными и обоснованными действиями по загрузке судна, её контролю и управлению судном в штормовых условиях.

Начиная с 50-х годов ХХ века в классификационных обществах разных государств, в том числе в Регистре СССР, стали разрабатывать расчетные методики контроля загрузки и остойчивости морских судов. В результате к концу ХХ века существовало несколько разных подходов к оценке остойчивости, которые, каждый в отдельности, обеспечивал определенный уровень безопасности судов от опрокидывания, но которые невозможно было сопоставить друг с другом по причине различия подходов, реализованных в разных странах.


В нашей стране вопросами разработки нормативной базы остойчивости морских судов по заказу Регистра СССР занимался проф. С.Н.Благовещенский [10]. Им были предложены идейные основы научного подхода, который развивался под руководством Регистра судостроительными организациями и учреждениями морского транспорта.

В качестве расчетной ситуации, положенной в основу отечественного подхода в нормировании характеристик остойчивости, была выбрана следующая:
Необходимо перед началом погрузки судна выполнить контрольный расчет остойчивости в предстоящем рейсе для двух состояний его загрузки – на момент начала рейса с полными запасами (100% запасов) и на окончания рейса с неизменным количеством груза, но с остатком запасов в размере 10% исходного их количества.
Большинство контролируемых характеристик остойчивости относится к диаграмме статической остойчивости для этих двух случаев загрузки судна в планируемом рейсе.

К ним относятся:


Для ряда специализированных судов (пассажирские суда, лесовозы, контейнеровозы, суда ограниченного района плавания, буксиры, плавкраны, дноуглубительные снаряды и т.д.) были разработаны и другие специфические критерии и соответствующие нормативы. Эти сведения изложены в Разделе 2 «Правил классификации и постройки морских судов» Российского морского Регистра судоходства, переиздаваемых каждые пять лет.

Критерий погоды для морских судов определяется применительно к ситуации, когда судно, лишенное хода и управления, находится на волнении при действии шквалистого ветра в положении лагом к волне. Характеристики ветра, волнения и бортовой качки назначаются Регистром конкретно для каждого судна в зависимости от разрешенного ему района плавания.

Расчет носит условный характер, и не должен восприниматься буквально и связываться с реальными условиями нахождения судна в море. На момент производства расчета судно еще не загружено и рейс ему только предстоит. Находясь лагом к волнению и ветру, судно испытывает бортовую качку с условной амплитудой ?r (симметрично на правый и левый борт).

В момент наибольшего накренения судна на левый борт на угол ?r внезапно воздействует шквал со стороны левого борта. Под влиянием качки судно переваливается на правый борт, а шквал способствует его дальнейшему наклонению. В этой ситуации необходимо определить минимальный опрокидывающий момент Мопрmin с помощью ДДО, которая должна быть построена заранее по имеющимся уже диаграммам статической остойчивости (ДСО), также для обоих состояний загрузки судна (100% и 10% запасов).

Полученное значение минимального опрокидывающего момента (это числитель в критерии погоды) сопоставляется со значением кренящего динамического момента от шквалистого ветра, характерного для рассматриваемого района плавания судна М кр. дин:
М кр. дин = 0,001 рв Fп (zп – dср) [т · м] , (15)
где рв – давление ветра по Регистру [кг · м-2],

Fп и zп – соответственно площадь боковой парусности и аппликата центра парусности судна, соответствующие данной средней осадке dср. (zп отсчитывается от основной плоскости судна), коэффициент 0,001 необходим для согласования размерностей участвующих величин).

Минимальный опрокидывающий момент Мопрmin определяется на ДДО по методике Регистра судоходства (рис. 12). Вычисляется условная амплитуда бортовой качки ?r по формулам и таблицам Раздела 2 Правил РС [3]. Эта величина угла крена откладывается на ДДО от начала координат влево и вправо. Соответствующие углу крена ± ?r точки на ДДО показывают тот диапазон изменения механической работы, которую восстанавливающий момент должен совершать в ответ на раскачивание судна на волнах.



Рис. 12. Определение плеча минимального опрокидывающего


момента в Правилах РС


Оставшиеся вне этого диапазона участки ДДО – это тот резерв, имеющийся у судна, который остается для противодействия шквалистому ветру.

Из левой части ДДО необходимо провести касательную к ДДО в ее правую часть.

Эта касательная есть график работы, совершаемой кренящим ветровым моментом, опрокидывающим судно.

Тангенс угла наклона этого графика (прямой касательной линии) к горизонту численно равен в масштабе чертежа минимальному опрокидывающему моменту, который следует использовать в качестве числителя в выражении критерия погоды:
(16)
Критерий погоды считается удовлетворен, если его значение по формуле (16) не менее единицы. Величину Критерия погоды можно трактовать - как некий показатель запаса динамической остойчивости, которым располагает судно в данном районе плавания, хотя в Правилах Регистра об этом не сказано.

Целью данного расчета Критерия погоды Кп является подчинение остойчивости судна тем силовым воздействиям со стороны совместного воздействия ветра и качки, с тем, чтобы загрузка судна обеспечивала запас остойчивости для противодействия судна морской стихии.


Опрокидывающий момент в данной методике действительно оказывается минимальным (но всё же опрокидывающим судно), из трех возможных вариантов, когда ветер (шквал) действует в момент наклонения судна на левый борт (точка А), на правый борт (точка В) или в момент прохождения судном вертикального положения (точка ? = 0).

Необходимую величину тангенса угла ?опр на Рис.12 можно получить, если от вершины угла ?опр отложить по горизонтали отрезок длиной 57,30 (1рад) и измерить вертикальный катет образовавшегося треугольника (между горизонтальной линией АВ и касательной АС в масштабе вертикальной оси lдин (м · рад)).

Полученный отрезок lдинопр пересчитывается в Мопрmin умножением на вес судна Р:
Мопрmin = Р · lдинопр (17)
Критерий погоды не изменится, если представить числитель и знаменатель в относительных величинах, разделив оба на вес судна Р:

(18)
Величина в знаменателе (18) может быть названа «плечом динамического кренящего момента», хотя не следует искать ей какой-либо геометрической интерпретации.

Международная Морская Организация (ИМО), основанная в 1948 в Лондоне, осуществляет деятельность по координации усилий в части нормирования остойчивости в разных странах и по созданию единых международных норм по остойчивости морских судов. В настоящее время эта деятельность продолжается, и, хотя такие нормы еще находятся в стадии разработки, уже действуют Временные нормы в виде Кодекса ИМО по остойчивости судов 1993 г.

Нормативы Временного Кодекса ИМО изложены в Правилах Регистра судоходства [3], начиная с издания 1995 г. в Приложении к Разделу 2 «Альтернативные требования к остойчивости морских судов». Альтернативный характер требований ИМО допускает их использование на усмотрение судоходной компании наряду с Нормами Российского Регистра судоходства.

Однако, подход, реализуемый ИМО в данном вопросе, существенно отличается от отечественного подхода практически по всем пунктам требований к остойчивости. Это принципиально иной подход, как по нормативам, так и по их выбору и методике определения Критерия погоды.

Рассмотрим основные требования Альтернативного подхода в Правилах РС:



Однако, допускается снижение угла заката ?з менее 600, если удастся компенсировать это увеличением l - на каждый потерянный 10 угла заката ?з добавляется 0,01 м величины минимального значения lm сверх 0,20 м (до ?з > 500).
Также контролируются площади трех участков ДСО:


S (0 – 300) ? 0.055 м · рад;

S (300 - 400) ? 0.030 м · рад;

S (0 – 400) ? 0.090 м · рад;

(см. рис. 13)

угол заливания должен быть не меньше угла заката ДСО.




Рис. 13 Контроль площади ДСО во Временном Коде ИМО.

Также контролируется соотношение между минимальным опрокидывающим моментом при качке и кренящим динамическим моментом от шквала в положении лагом к волне (аналог отечественного критерия погоды Кп).
В этом пункте отличия подхода ИМО и Регистра проявляются в наибольшей степени:



l кр.дин = 1,5 l кр.ст (19)
необходимо добиться, чтобы площадь в участка ДСО (Рис. 14) оказалась бы больше площади а участка ДСО между углом крена ?r левого борта до угла крена от действия динамического момента от шквала.





Рис. 14. К определению Критерия погоды во Временном коде ИМО.
Угол статического крена от действия постоянного ветра ?о со стороны левого борта получают на ДСО как абсциссу точки пересечения графика плеча статического кренящего момента (Рис. 14):

(20)

где рв = 504 Па, Fп и zп – площадь парусности и аппликата центра парусности судна.

Вычисление площади в на ДСО осуществляют между точкой пересечения горизонтальной линии lдин = 1,5 lст и оканчивая ее вычисление либо при ? = 500, либо в точке пересечения ДСО с линией lдин = 1,5 l.ст , смотря какая точка окажется левее, чтобы получить запас в безопасную сторону.

Как видно, оба подхода в контроле остойчивости отличаются существенно, и сопоставлять их между собой очень трудно.

В связи с этим в настоящее время в разных странах, участниках ИМО ведется исследовательская работа, называемая «гармонизацией требований к остойчивости». ИМО выступает в качестве координатора этой важной работы. Но пока эти исследования не будут завершены, не могут быть сформулированы Единые международные требования к остойчивости морских судов.

Необходимо также подчеркнуть, что действующие в настоящее время методики контроля остойчивости морских судов не охватывают всех возможных ситуаций опрокидывания судна.

Таким образом, обеспечение безопасности плавания судов в значительной степени возложено на судоводителей и зависит от уровня их компетентности, подготовки и опыта практической работы.
7. Информация об остойчивости и прочности судна. Типовая информация об остойчивости и прочности грузового судна.
Для обеспечения выполнения расчетов по контролю и обеспечению остойчивости судна экипажами судов проектант судна обязан поставить на каждое судно все материалы, технические данные судна, графические материалы и комментарии для производства таких расчетов. Эти материалы поступают на судно в виде Информации об остойчивости и прочности. Для судов нефте-рудовозов, а также танкеров и контейнеровозов состав и подобной Информации существенно отличается от Информации для сухогрузных судов.

Однако, чтобы разнообразные Информации были бы стандартизованы по виду и содержанию в 1979 г. Регистром СССР была утверждена и введена Типовая информация, которая имела своей целью упорядочить действия различных конструкторских бюро по разработке и оформлению Информаций конкретных судов, [4].

Типовая информация (1979 г.) содержит три документа:


Особенность контроля прочности судов нефтерудонавалочников состоит в более детальной проверке прочности корпуса в каждом грузовом помещении и расширенном контроле местной прочности.

Международная Конвенция по перевозке зерновых грузов (зерна) обязывает выполнять дополнительный контроль остойчивости по специальной методике, если на судне хотя бы одно из грузовых помещений использовано для перевозки зерна, которое склонно к смещению при накренении судна. Цель такого расчета - обеспечить остойчивость судна в этом случае с учетом потенциального смещения зернового груза и действия дополнительного кренящего момента от этого смещения.
8. Особенности остойчивости судна в специальных случаях.
Рассмотренные выше свойства остойчивости судна не охватывают всех возможных вариантов, встречающихся в эксплуатации судна в морских условиях.

Как было показано, остойчивость судна существенно зависит от наличия бортовой качки. Кроме того, рассмотренные случаи не учитывают влияние дифферента судна на характеристики формы корпуса и остойчивости.

Наличие морского волнения существенно изменяет как форму подводной части судна, так и свойства восстанавливающего момента. Ученые в течение прошлого века добились значительных результатов в исследованиях остойчивости судна в общем случае. В этом направлении больших результатов добились отечественные ученые – В.В.Луговский, В.В.Власов, С.Н.Благовещенский, И.К.Бородай, Ю.И.Нечаев, В.А.Некрасов и многие другие.

Наибольшую опасность с точки зрения опрокидывания судна представляет режим движения судна на попутном волнении и на кормовых курсовых углах. При этом судно длительное время находится вблизи вершины волны, которая вместе с развалом борта судна в оконечностях оказывает существенное влияние на характеристики остойчивости, как правило, ухудшая их, и выводя их за допустимые нормы и пределы. Параллельно с ухудшением остойчивости развивается бортовая качка, которая совместно с пониженной остойчивостью способствует опрокидыванию судна.

Эти процессы достаточно сложны, чтобы оградить судно простыми средствами от опрокидывания. В настоящее время ограничиваются вспомогательными информационными материалами для этих режимов движения судна [13]. Однако, ощущается недостаток подобных материалов на судах, а также необходима дополнительная теоретическая подготовка экипажей судов в этой области.

Малые суда (длиной менее 80–90 м) могут испытывать на волнении явление «захвата судна попутной волной» и так называемого «брочинга». Захваченное попутной волной малое судно испытывает бортовую качку, рыскание; у него снижается остойчивость, и оно может быть резко развернуто по ходу движения и мгновенно опрокинуто. Эта сложное физическое явление недостаточно изучено и плохо подчиняется экспериментальным исследованиям [12].

При бортовой качке (совместно с вертикальной качкой судна) лагом к волне восстанавливающий момент пульсирует с частотой качки. Эти пульсации воздействуют на бортовую качку и приводят к дополнительным видам резонанса, называемого «субгармоническим» или параметрическим. Таким образом, осуществляется связь остойчивости и качки с их обоюдным влиянием, которое снижает безопасность плавания в этом режиме.

Перечень специальных случаев, в которых остойчивость судна отличается от традиционного подхода, не ограничивается приведенными выше примерами. Это говорит о необходимости чрезвычайно серьезного отношения судоводителей к проблемам остойчивости и безопасности мореплавания.
9. Основы начальной остойчивости судна
Теория начальной остойчивости судна может быть полезным инструментом в руках судоводителя, и помогает решать важные практические задачи.

В теории начальной остойчивости предполагается, что при малых наклонениях судна восстанавливающий момент можно определять не с помощью ДСО, а приближенно по линейной формуле:
Мв ? Р · h0 sin ? ? Р · h0 · ? , (т · м) (21)
Например, определение угла крена судна от действия постоянного, независящего от угла крена, кренящего момента можно вычислить по формуле:

, (рад). (22)

Теория начальной остойчивости позволяет, например, определить влияние перемещения груза на судне в различных направлениях на метацентрическую высоту h0 и параметры посадки судна.

Так вертикальный перенос груза массы m1 на расстояние а вверх приводит к соответствующему смещению вверх центра тяжести судна ZG:

, (23)
Это в свою очередь скажется на метацентрической высоте, которая уменьшится на ту же величину h = - ∆ Zg:
h1 = h0 - ∆ Zg = ∆ Zmo – (ZGо + ∆ Zg) = Zmo - ZG1 , (24)
Смещение груза поперек судна по горизонтали не изменяет величины метацентрической высоты (если до этого груз не поднимался по вертикали), но приводит к образованию кренящего момента:
Мкр = m1 g (y2 – y1) cos ? (25)
где g = 9,81 м/сек2, y2 и y1 – конечная поперечная и исходная координаты положения груза на судне.Возникший в результате крен можно оценить по формуле (22).

Смещение груза по длине судна приводит к образованию дифферентующего момента Мдиф :
Мдиф = m g (х2 – х1) (26)
Продольный восстанавливающий момент вследствие дифферента судна вычисляется по формуле:

Мвдиф (?) = Р · Н0 sin ? = Р · Н0 ? (27)
где Н0 – продольная метацентрическая высота,

? - угол дифферента в радианах.

Наличие на судне жидкостей в цистернах и танках, а также в трюмах в аварийном состоянии существенно и негативно сказывается на его остойчивости. Метацентрическая высота судна, имеющего жидкие грузы (запасы) со свободной поверхностью всегда уменьшается. Величина этого изменения метацентрической высоты зависит только от момента инерции площади свободной поверхности жидкости iх относительно продольной оси цистерны, который в большей степени зависит от ширины зеркала свободной поверхности и, в меньшей степени, - от ее продольного размера. Количество жидкости в цистерне начинает влиять, когда её слишком мало или цистерна почти полная, и при крене судна зеркало свободной поверхности резко сокращается по ширине.

Величина этой поправки обратно пропорциональна водоизмещению судна, следовательно, одна и та же цистерна на малом судне может привести к существенно большему снижению остойчивости, чем на большом судне:
(м) (28)
Когда на судне имеется много цистерн, то суммарная поправка может оказывать заметное влияние на общую остойчивость судна, и она всегда должна учитываться при контроле остойчивости перед погрузкой судна и в процессе рейса.

Для танкеров большой ширины эти поправки могут быть сопоставимыми с исходной метацентрической высотой. Тоже относится к междудонным балластным цистернам, ширина которых равна половине судна. В аварийных случаях при попадании воды в трюмы и в машинное отделение остойчивость становится настолько малой, что метацентрическая высота принимает отрицательное значение (за больших счет отрицательных поправок), и судно плавает с креном, иногда очень большим, однако, эти вопросы рассматриваются в теории аварийной остойчивости и непотопляемости.

Перечень практических задач, где применяются формулы начальной остойчивости очень велик. Их рассмотрение можно найти в специальных изданиях, посвященных остойчивости [1],[8].


Заключение


Остойчивость судна – это мореходное качество, от наличия которого зависит судьба судна и его экипажа. Обеспечение остойчивости является самой первой и важной задачей судоводителя, отправляющегося в очередной рейс.

Для профессионального владения материалом необходимо серьезное углубление в проблематику остойчивости, знание нормативной литературы и постоянное повышение квалификации, как залог успешной работы в сложных морских условиях.

Список рекомендуемой литературы


  1. Теория и устройство судна. Учебник под ред. д.т.н, проф. Ф.М.Кацмана. - Л.: Судостроение, 1991 г.

  2. Справочник по статике и динамике корабля. Под ред. д.т.н.,проф Я.И.Войткунского. Тт. 1-3. Л.: Судостроение. 1976

  3. Правила классификации и постройки морских судов. Российский Морской Регистр судоходства, -М.: Транспорт, 2000

  4. Типовая информация об остойчивости и прочности грузового судна. Министерство Морского флота СССР. - М.: ЦРИА «Морфлот», 1979

  5. С.Н.Благовещенский, А.Н.Холодилин. Справочник по статике и динамике корабля. Тт.1-2. -Л.: Судостроение, 1976

  6. Л.Р.Аксютин, С.Н.Благовещенский. Аварии судов от потери остойчивости. -Л.:-Судостроение, 1975

  7. Л.Р.Аксютин. Борьба с авариями морских судов от потери остойчивости. –Л.: Судостроение, 1986

  8. Л.Р.Аксютин. Грузовой план судна. Учебное пособие. –Одесса: АО Бахва, 1996

  9. В.Д.Кулагин. Теория и устройство морских промысловых судов. Учебник. -Л.: Судостроение, 1974

  10. В.В.Луговский. История создания и пути совершенствования норм остойчивости Российского Морского Регистра судоходства. Российский Морской Регистр судоходства. Научно-технический сборник, вып.№ 19. СПб., 1996

  11. В.Б.Жинкин. Теория и устройство корабля. Учебник.-СПб.: Судостроение, 2000

  12. Н.Б.Севастьянов. Остойчивость промысловых судов. –Л.: Судостроение, 1970

  13. Выбор безопасных скоростей и курсовых углов при штормовом плавании судов на попутном волнении. РД 31.00.57.2-91. Министерство Морского флота СССР. - М.: Транспорт, 1991

  14. Д.В.Дорогостайский, М.М.Жученко, Н.Я.Мальцев. Теория и устройство судна. - Л.: Судостроение, 1975


Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации