Сизов В. Г. - Теория Корабля - 2003

УДК 629.5:532.001(075)С34ББК 39.42-011

Рецензенты:заведующий кафедрой «Теория и проектирование корабля» Одесского

национального морского университета Ю.Л. Воробьев д.т.н., профессор;заведующий кафедрой «Теория и устройство судна» Одесской

национальной морской академии В.М. Бондарь к.т.н., профессор.

Рекомендовано Министерством образования и науки Украиныкак учебное пособие для студентов высших учебных заведений, письмо№ 14/18.2-1834 от 6.11.2003 г.

Сизов В.Г.С 34 Теория корабля: Учебн. пособ. / Одесск. национальн. морская акад. -

Одесса: ФЕНЖС, 2003. - 284 с.ISBN 966-8289-31-5В учебном пособии изложены вопросы геометрии корпуса судна, пла-

вучести, остойчивости начальной и на больших углах крена, непотопляемо-сти, прочности корпуса, качки судна, сопротивления воды движению судна,судовых движителей, управляемости судов. Предназначено для курсантов истудентов специальности 8.100301 «Судовождение».

ISBN 966-8289-31-5 © МП ФЕН1КС, 2003

© В.Г. Сизов, 2003

СОДЕРЖАНИЕОт автора 7

1. Геометрия корпуса судна 81.1. Главные плоскости судна и система координат, связанная с судном 81.2. Теоретический чертеж, главные сечения и главные размерения судна 91.3. Характеристики формы судна 11

2. Плавучесть 142.1. Понятие плавучести. Посадка судна и параметры, ее определяющие 142.2. Марки углубления 152.3. Силы, действующие на плавающее судно. Условия и уравнения равновесия судна 172.4. Нагрузка судна и ее расчет 20

2.4.1. Массовые характеристики судна 202.4.2. Объемные характеристики судна 202.4.3. Регистровая вместимость 212.4.4. Расчет массы и координат ЦТ судна 222.4.5. Чертеж размещения грузов 23

2.5. Объемное водоизмещение и координаты ЦВ 252.5.1. Общие выражения для элементов плавучести 252.5.2. Вычисление элементов плавучести 262.5.3. Строевые и их свойства 282.5.4. Кривые плавучести и грузовая шкала, пользование ими 29

2.6. Изменение осадки судна • 312.6.1. Прием и расходован ие груза 312.6.2. Переход в воду иной плотности ' 33

2.7. Посадка судна с дифферентом 342.7.1. Масштаб Бонжана 342.7.2. Диаграмма осадок носом и кормой 36

2.8. Запас плавучести и его контроль 382.8.1. Понятие запаса плавучести, его нормирование 382.8.2. Грузовая марка 3 9

3. Начальная остойчивость 413.1. Общие понятия остойчивости 413.2. Равнообъемные наклонения. Теорема Эйлера 423.3. Перемещения ЦВ при наклонениях. Метацентры и метацентрические радиусы 443.4. Условие остойчивости судна. Метацентрические формулы остойчивости 463.5. Коэффициенты остойчивости. Метацентрические высоты и их расчет 483.6. Изменение остойчивости и посадки судна при перемещении груза 50

3.6.1. Вертикальное перемещение груза 503.6.2. Поперечное перемещение груза 513.6.3. Продольное перемещение груза 52

3.7. Влияние подвижных грузов на остойчивость 533.7.1. Подвешенные грузы 533.7.2. Жидкие грузы 543.7.3. Сыпучие грузы 58

3.8. Изменение остойчивости от приема или расходования груза 593.8.1. Произвольная форма судна 593.8.2. Случай прямостенного судна 623.8.3. Нейтральные плоскости 62

3.9. Изменение посадки судна при приеме или расходовании груза 643.9.1. Прием малого груза 643.9.2. Диаграмма изменения осадок оконечностей от приема 100 т груза 653.9.3. Прием груза произвольной величины 66

3.10. Влияние дифферента на остойчивость 673.11. Малые неравнообъемные наклонеия судна 683.12. Изменение остойчивости и посадки при переходе судна в воду другой плотности 733.13. Диаграмма метацентрических высот 743.14. Определение остойчивости судна опытным путем 773.15. Некоторые частные прикладные задачи 78

3.15.1. Постановка судна в док и давление на кормовой кильблок 783.15.2. Задача о судне на камне 793.15.3. Подъем оконечности судна 80

4. Остойчивость при больших наклонениях 824.1. Предварительные замечания 824.2. Основные понятия и геометрия больших наклонений 824.3. Аналитические выражения для плеча остойчивости 844.4. Диаграмма статической остойчивости 854.5. Основные задачи статической остойчивости 884.6. Динамическая остойчивость судна 89

4.6.1. О характере действия внешних моментов 894.6.2. Основные задачи динамической остойчивости 904.6.3. Диаграмма динамической остойчивости 924.6.4. Решение основных задач по диаграмме динамической остойчивости 93

4.7. Построение диаграмм остойчивости 944. 7. 1. Интерполяционные кривые плеч остойчивости формы 944.7.2. Универсальные диаграммы остойчивости 97

4.8. Более сложные задачи остойчивости 994.8.1. Изменение диаграмм остойчивости при смещении грузов 994.8.2. Действие шквала на судно с креном 1024.8.3. Кренящий момент, зависящий от угла крена 1044.8.4. Судно с отрицательной начальной остойчивостью 1074.8.5. Диаграмма остойчивости судна с подвижными грузами 110

4.9. Нормирование остойчивости 1154.9.1. Предварительные замечания 1154.9.2. Критерий погоды 1174.9.3. Диаграмма статической остойчивости и метацентрическая высота 1204.9.4. Учет обледенения 1204.9.5. Дополнительные требования к остойчивости 1214.9.6. Альтернативные требования к остойчивости судов неограниченного района

плавания 1234.9.7. Диаграмма предельных моментов 1244.9.8. Информация об остойчивости и прочности судна 1264.9.9. Требования к остойчивости при перевозке зерна 127

5. Непотопляемость 1305.1. Общие понятия 13052. Категории затапливаемых отсеков 1305 3 . Коэффициенты проницаемости 1315.4. Методы расчета аварийной посадки судна 136

5.4.1. Общая характеристика методов 1365.4.2. Пример определения аварийной посадки при затоплении отсека в средней части

судна 1375.5. Оценка непотопляемости в судовых условиях 138

5.5.1. Способ интерполяции невязок 1395.5.2. Вспомогательная таблица к способу невязок 1415.5.3. Диаграммы аварийных посадок 1425.5.4. Симметричное затопление группы отсеков 1455.5.5. Затопление несимметричных отсеков 1465.5.6. Границы нагрузок, допустимых по аварийной посадке 148

5.6. Требования Регистра Судоходства к аварийным посадке и остойчивости судна 1495.7. Информация о непотопляемости судна 1505.8. Спрямление судна 152

6. Прочность корпуса судна 1556.1. Общие понятия о прочности корпуса 1556.2. Схема расчета прочности на тихой воде 1556.3. Контроль общей прочности в судовых условиях 1576.4. Приближенные формулы контроля общей прочности по изгибающему моменту на

тихой воде в миделевом сечении 1616.5. Местная прочность 1636.6. Вибрация судна 164

7. Качка судна 1667.1. Основные понятия 1667.2. Качка судна на тихой воде 167

7.2.1. Качка судна без сопротивления t 1677.2.2. Приближенное определение периодов качки 1707.2.3. Влияние сил сопротивления 1727.2.4. Замечания к упрощенной теории качки 173

7.3. Качка судна на волнении 1747.3.1. Регулярное морское волнение 1747.3.2. Качка судна на регулярном волнении 1777.3.3. Влияние курса и скорости хода на качку судна 1807.3.4. Качка параметрического типа 1837.3.5. Нерегулярное волнение и его представление 1857.3.6. Качка на нерегулярном волнении 192

7.4. Вопросы мореходности судов 1977.4.1. Заливаемостъ 1977.4.2. Слеминг 1997.4.3. Разгон гребного винта и двигателя 2007.4.4. Штормовые диаграммы 201

7.5. Воздействие качки 2097.5.1. Ускорения, вызванные качкой 2097.5.2. Силы, действующие на твердые грузы 2117.5.3. Силы, действующие в сыпучих грузах 2137.5.4. Воздействие качки на механизмы и приборы 2157.5.5. Физиологическое действие качки 221

7.6. Успокоители качки 2257.6.1. Общие сведения и классификация успокоителей 2257.6.2. Успокоительные цистерны 2257.6.3. Гидродинамические успокоители качки 2297.6.4. Эффективность успокоителей качки 230

5

8. Сопротивление воды движению судна 2318.1. Понятия сопротивления воды и буксировочной мощности 2318.2. Разделение сопротивления воды на составные части 2328.3. Сопротивление трения и его расчет 2338.4. Экспериментальный метод определения сопротивления воды движению судна 2358.5. Способы приближенного расчета сопротивления воды 2388.6. Сопротивление и просадка судна при движении на ограниченной глубине 244

9. Судовые движители 2499.1. Основные понятия, принцип действия и типы движителей 2499.2. Основы теории идеального движителя 2509.3. Элементы геометрии гребного винта 2529.4. Кинематические характеристики гребного винта 2549.5. Основные понятия теории крыла 2549.6. Скорости и силы на элементе лопасти 2559.7. Динамические характеристики гребного винта и характерные режимы его работы 2569.8. Диаграммы для расчета гребных винтов 2589.9. Взаимодействие винта и корпуса судна 2599.10. Кавитация гребных винтов 2619.11. Основные задачи расчета гребных винтов 2629.12. Совместная работа гребного винта, двигателя и корпуса судна 2649.13. Гребные винты регулируемого шага 269

10. Управляемость судна 27010.1. Основные понятия 27010.2. Циркуляция судна. Периоды и элементы циркуляции 27010.3. Силы и моменты, действующие на судно при циркуляции 27210.4. Диаграмма управляемости судна 27310.5. Влияние ветра и волнения на управляемость судна 27510.6. Взаимодействия судов при обгонах и расхождениях 27710.7. Инерционно-тормозные характеристики судна 27810.8. Средства активного управления судном 279

Список литературы 282

ОТАВТОРЛ

Предлагаемое учебное пособие содержит все разделы курса теории корабля,читаемого курсантам судоводительской специальности Одесской национальнойморской академии.

Основу содержания составили лекции, которые автор читал в течение рядалет курсантам судоводительского факультета.

При изложении материала предполагалось, что читатель знаком сосновными сведениями из курсов высшей математики и теоретической механики.

В соответствии с действующими учебными планами подготовкасудоводителей в настоящее время проводится по трем уровням: бакалавр,специалист и магистр. Содержание пособия рассчитано на высший уровеньподготовки, для других уровней изучение курса может быть соответственносокращено.

При изложении дисциплины наибольшее внимание обращалось на вопросы,относящиеся к мореходной безопасности судна.

Глава VI, посвященная контролю прочности корпуса судна, относится кстроительной механике корабля, однако, поскольку такая дисциплина в учебныхпланах судоводительской специальности отсутствует, основные сведения повопросам прочности корпуса судна излагаются при чтении курса теории корабля.

Глава X, посвященная управляемости судна, изложена в сокращенном видепо сравнению со значимостью этого раздела для судоводителей. Это являетсяследствием того, что этот раздел подробно изучается в специальной дисциплине"Управление судном", читаемой на кафедре того же названия.

Автор выражает благодарность сотрудникам кафедры "Теория и устройствосудна", просмотревшим рукопись и сделавшим ряд замечаний направленных наулучшение пособия. Особую благодарность автор выражает старшемупреподавателю В.В. Степанову и ассистенту Ю.П. Кучеру, с которыми онобсуждал изложение некоторых вопросов курса, а также набравшим накомпьютере текст книги и изготовившим иллюстрации к ней.

Автор надеется, что настоящее пособие облегчит и улучшит подготовкуквалифицированных судоводителей для морского флота.

Все замечания и пожелания по улучшению пособия будут принятыс благодарностью, просьба присылать их в адрес ОНМА: 65029, Одесса,ул. Дидрихсона, 8, кафедра «Теория и устройство судна», В.Г. Сизов.

г. Одесса, июнь 2003 г.

7

1. ГЕОМЕТРИЯ КОРПУСА СУДНА

1.1. ГЛАВНЫЕ ПЛОСКОСТИ СУДНА И СИСТЕМА КООРДИНАТ,СВЯЗАННАЯ С СУДНОМ

Форма корпуса судна представляет собой сложную поверхность двоякой

кривизны. Для задания формы и ее ориентации на судне фиксируются три взаим-

но перпендикулярные плоскости, называемые главными плоскостями. Главные

плоскости ориентированы следующим образом:

1. Диаметральная плоскость (ДП) - продольная вертикальная плоскость, прохо-

дящая через середину ширины судна; является плоскостью симметрии поверх-

ности судна.

2. Плоскость мидель-шпангоута или, проще, плоскость миделя, обозначаемая на

чертежах знаком Mi, - поперечно-вертикальная плоскость, расположенная по-

середине конструктивной длины судна.

3. Основная плоскость (ОП) - горизонтальная плоскость, проходящая через верх-

нюю кромку сечения горизонтального киля ДП, называемую килевой линией;

при наклонной килевой линии основная плоскость проходит через точку пе-

ресечения килевой линии с плоско-

стью миделя.

Главные плоскости определяют

систему координат, связанную с судном.

За начало координат принимается точка

пересечения главных плоскостей, за ось

Ох принимается линия пересечения

диаметральной и основной плоскостей с

положительным направлением в нос, ось

Оу образуется линией пересечения

плоскостей миделя и основной с поло-

жительным направлением на правый

борт; ось Oz направлена вертикально вверх и образуется пересечением плоско-

стей миделя и диаметральной. Диаметральная плоскость есть плоскость xOz,

плоскость миделя - yOz и основная - хОу (рис. 1.1). Таким образом, принятая сис-

тема координат является левой.

1.2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ ЧЕРТЕЖ, ГЛАВНЫЕ СЕЧЕНИЯ И ГЛАВ-НЫЕ РАЗМЕРЕНИЯ СУДНА

Форма корпуса судна задается графически в виде теоретического чертежа,на котором для стальных судов изображается внутренняя поверхность наружнойобшивки корпуса (без учета ее толщины), а для деревянных - наружная поверх-

. ность корпуса.Теоретический чертеж является основным проектным чертежом судна. Он

служит как для расчета мореходных качеств судна, так и для разработки общихпроектных документов судна.

Теоретический чертеж (рис. 1.2) содержит вычерченные в масштабе линиисечения поверхности корпуса плоскостями, параллельными главным плоскостямсудна.

РИСУНОК 1. 2. Теоюетический чеотеж

Линии сечения поверхности судна плоскостями, параллельными диамет-ральной плоскости, называются батоксами; параллельными плоскости миделя -шпангоутами и параллельными основной плоскости - ватерлиниями.

Очевидно, что сечения, образованные плоскостями, параллельными какой-либо главной плоскости, проектируются на нее в истинном виде, а на две другиеглавные плоскости - в виде прямых, являющихся следами секущих плоскостей.Эти прямые образуют сетку теоретического чертежа судна; изображенные сече-ния составляют три проекции теоретического чертежа: проекцию на диаметраль-ную плоскость - бок, на плоскость мидель-шпангоута - корпус и на основнуюплоскость - полушироту.

Ввиду симметрии формы судна относительно диаметральной плоскости натеоретическом чертеже вычерчивают сечения только одного борта, при этом начертеже корпуса с правой стороны от ДП изображают половины носовых шпан-гоутов, а слева - половины кормовых. Контур мидель-шпангоута вычерчиваетсяна оба борта. На чертеже полушироты вычерчивают ватерлинии только левогоборта. На всех трех проекциях наносится также бортовая линия палубы (линияпересечения поверхности палубы и борта), которая при наличии седловатости па-лубы будет пространственной кривой. Нос судна на чертеже располагается спра-

9

ва; проекции бока и корпуса - на одной основной линии (следа ОП в ДП), а по-лушироту располагают под чертежом бока.

Если судно имеет значительную цилиндрическую вставку, т.е. шпангоутына большом протяжении в средней части имеют одинаковые очертания с мидель-шпангоутом, то корпус располагают в средней части проекции бока.

Расчетная практика выработала рекомендации, в соответствии с которымичисло равноотстоящих шпангоутов принимают равным 21, т.е. конструктивнуюдлину разбивают на 20 равных частей, называемых теоретическими шпациями;число ватерлиний выбирают в зависимости от осадки судна, например, пробивают8-10 ватерлиний от основной плоскости до конструктивной ватерлинии и 2-3 ва-терлинии выше нее; число батоксов обычно 2-4 с одного борта. Нумерация шпан-гоутов устанавливается от носа к корме, ватерлиний - от основной плоскостивверх, батоксов - от ДП к борту, причем начальным сечениям присваиваются ну-левые номера. В оконечностях иногда пробивают промежуточные и дополнитель-ные шпангоуты, присваивая им номера в соответствии с их положением по длине,например:

Если требуется определить ординату поверхности судна в какой-либо точкеА, не лежащей в сечении, изображенном на теоретическом чертеже, то на проек-циях бока и полушироты проводят следы плоскости шпангоута, проходящего че-рез точку А, на полушироте измеряют ординаты, а на боке - аппликаты этогошпангоута и откладывают их на соответствующих ватерлиниях и батоксах напроекции корпуса, проводят сечение шпангоута, на котором измеряют ординатуна уровне точки А. Аналогично можно строить на полушироте участок ватерли-нии, проходящей через точку А, используя ординаты шпангоутов и аппликатыбатоксов, снятых с корпуса и бока.

Масштаб теоретического чертежа выбирается исходя из размеров судна ипринимается для больших судов 1:200, для судов средней длины - 1:100 и для ма-лых судов -1:50 или 1:25.

Сечения судна глав-ными вертикальнымиплоскостями и плоскостьюконструктивной ватерли-нии (КВЛ) являются глав-ными или основными сече-ниями судна (рис. 1.3). Онидают общее представлениео форме судна.

Сечение корпусаРисунок 1. 3. Главные сечения и главные размерена» судна д и а м е т р а л ь н о й ПЛОСКОСТЬЮ

состоит из палубной ли-нии, имеющей подъем в нос и корму, образуя седловатость палубы; линии фор-штевня, имеющей большое разнообразие очертаний; килевой линии, обычно го-ризонтальной прямой, но иногда имеющей наклон в корму (конструктивныйдифферент), и линии ахтерштевня с кормовым подзором.