книги из ГПНТБ / Бронский, А. И. Основы выбора конструкций корпуса судна

A.И. БРОНСКИЙ,

М. К. Г Л О З М А Н , B. В. К О З Л Я К О В

Основы

выбора

конструкций

корпуса

судна

Издательство

«Судостроение»

Ленинград

1974

УДК 629.12.011.001.2

Б88

-1 ! ^ .

Вкниге рассмотрены основные принципы и направления оптимального проек­ тирования судовых корпусных конструкций.

дов нахождения оптимальной конструкции — важная задача современного корпусостроения.

В книге обоснован выбор комплексного критерия оптимизации корпусных кон­ струкций на базе достижения максимальной технико-экономической эффективно­ сти эксплуатации и постройки судов. Получены общие расчетные выражения для комплексного критерия применительно к конкретным вопросам проектирования корпусных конструкций, в первую очередь стальных. Обобщены исследования по назначению норм допусков на изготовление конструкций. Намечены пути для определения рационального уровня унификации корпусов судов.

Особое внимание уделено вероятностному подходу к определению внешних сил, действующих на судно, и к оценке расчетных схем определения напряженного состояния в конструкциях корпуса. Показаны возможности нормирования проч­ ности конструкций и даны примеры выбора размеров связей корпуса с техникоэкономическим обоснованием принимаемых решений.

На основе критерия экономической целесообразности обобщены рекомендации по конструктивно-технологическому оформлению отдельных перекрытий и узлов корпуса.

Комплексный технико-экономический подход к проектированию судовых кор­ пусных конструкций направлен па дальнейшее повышение эффективности по­ стройки и эксплуатации судов и является предпосылкой для разработки обосно­ ванных нормативов по проектированию, изготовлению н ремонту корпусов судов, а также для рационального их конструирования. Практическое использование по­ лученных выводов может дать значительный техппко-экопомпческип эффект.

© Издательство «Судостроение», 1974 г.

От авторов

ГЛАВА I

Принципы выбора оптимальных решений при проектировании корпусных конструкций

Проблема оптимального проектирования судовых корпусных конструкций заключается в отборе из многочисленных возможных вариантов такого решения, которое наилучшим образом отвечало бы поставленным целям в течение всего заданного периода экс­ плуатации судна с учетом изменения во времени ряда характери ­ стик конструкции. В такой постановке эта проблема представляет собой частный случай наиболее общей проблемы оптимизации любых решений. Вместе с тем необходимо учитывать и специфи­ ческие особенности судового корпусостроения, влияние которых на

исходя из накопленного опыта, статистических данных, экспертных

и общесудовых характеристик. После определения главных размерений проектирование корпусных конструкций осуществлялось на основании Правил классификационных обществ по одному варианту, и лишь в исключительных случаях — по двум-трем вариантам . При этом после выбора шпации набора и размеров связей корпуса решение отдельных конструктивных узлов в не­ скольких вариантах и их сопоставление производилось крайне редко. Считалось, что соответствие корпусных конструкций требо­ ваниям Правил обеспечивает безусловное получение оптимального решения.

Это объясняется тем, что длительное время суда строились определенных типов и ограниченных размеров. В качестве мате­ риала корпуса в большинстве случаев использовалась обычная

5

углеродистая судостроительная сталь. Технология постройки кор­ пуса судна оставалась подетальной. Организация производства отвечала индивидуальной постройке д а ж е при серийном строи­ тельстве однотипных судов. В этих условиях, как показал длитель­ ный опыт мирового судостроения, технически и экономически опти­ мальными являются конструкции наименьшей массы.

Внедрение сварки, переход к современным секционным и блоч­ ным методам постройки судов, использование новых судострои­

прямой пропорциональности между массой конструкций, трудоем­ костью их изготовления и эксплуатационной эффективностью. Следовательно, минимум массы сам по себе не может больше гарантировать оптимальное решение. Кроме того, многие конструк­ тивные узлы корпуса, приемлемые при подетальной сборке, не от­

решениями и технологической целесообразностью их реализации.

на судостроительных предприятиях. Это особенно сильно ощуща ­ лось в период перехода отечественного судостроения к серийной постройке ряда крупных судов. Оказалось, что большое разнооб­ разие типоразмеров листового и профильного проката, составных тавров, различных узлов корпуса, шпаций и т. п. тормозит произ­ водство. Этим и объясняется возрастающий интерес к вопросам внутри- и межпроектной унификации. Вместе с тем очевидно, что одна только стандартизация не может привести к полной оптими­ зации корпусных конструкций.

§ 1. Общая схема выбора оптимальных решений

Внедрение в проектную практику современных математических методов и вычислительных средств потребовало установления чет­ кой логической последовательности, взаимосвязи и значения от­ дельных этапов проектирования. Соответствующие исследования применительно к проектированию судов и корпусных конструкции выполнены в ряде отечественных и зарубежных работ [68], [96], [106], [115], [116], [120]. Н и ж е рассматриваются основанная именно на таких представлениях принципиальная схема выбора проектных

6

решений на всех этапах проектирования и способы оптимизации конструкций.

I этап. Анализ исходных данных проектного задания. Техни­ ческое задание относится главным образом к судну в целом. Следо­ вательно, на первом этапе на основании общих требований выби­ раются исходные данные для проектирования корпуса и его составных элементов. При этом предполагается, что основные обще­ судовые характеристики определены в результате сравнения раз­ личных вариантов и в рамках проектного задания являются опти­ мальными.

З а д а н и е на разработку корпусных конструкций включает сово­ купность требований к назначению конструкции, уровню ее надеж ­ ности и долговечности, технико-экономической эффективности. Необходимо четко установить и по возможности количественно описать как полный комплекс условий эксплуатации, при которых конструкция должна выполнять свои функции, т а к и сроковые требования по эксплуатации (периодичность осмотров, постановок в док, ремонтов, а т а к ж е общий период службы судна) .

Следует отметить, что с позиций общей теории надежности сроковые требования не являются сугубо специфическими. Анало­ гично внешним нагрузкам и температурным характеристикам среды они относятся к условиям эксплуатации [96].

Все перечисленные факторы составляют совокупность внешних воздействий, которым подвергается конструкция в процессе экс­ плуатации. Величины внешних воздействий представляют собой количественное выражение перечисленных в задании условий экс­ плуатации, число которых может быть достаточно велико.

Применительно к проектированию судовых корпусных конст­ рукций в качестве условий эксплуатации могут рассматриваться:

—характер и величина действующих нагрузок;

—температурные режимы эксплуатации конструкции;

—характер и интенсивность коррозионного или эрозионного износа;

—степень раскрытия палуб;

—полезные размеры и объем трюмов или танков;

жераторные отделения, производственные цехи промысловых судов, трюмы для контейнеров, помещения для автомобилей или желез ­ нодорожных составов на п а р о м а х ) ;

— сроковые показатели.

Очевидно, все эти условия оказывают значительное влияние на размеры и конструктивное оформление перекрытии, узлов и эле­ ментов корпуса судна. Соответственно для нахождения во всех

7

рые относятся к первой категории. Их выявление и составляет первую начальную стадию проектирования.

одинаковые совокупности требований, из их числа в качестве глав­ ных и исходных могут приниматься различные характеристики в зависимости от специфики выполняемых функции.

Так, к палубным перекрытиям обычных транспортных судов предъявляются требования достаточной прочности и жесткости, регламентируемые в П р а в и л а х классификационных обществ. При этом прочность всех балок набора задается непосредственно: уста­ навливается момент сопротивления сечения профиля при опреде­ ленных величине действующей (условной) нагрузки, пролете, рас­ стоянии между балками, степени заделки концов, физико-механи­ ческих характеристиках материала . В то ж е время на жесткость проверяется лишь часть балок набора, причем по различным харак ­ теристикам: для продольных ребер и рамных бимсов при продоль­ ной системе набора и для бортовых пролетов бимсов при попереч­ ной системе набора верхней расчетной палубы нормируется момент инерции сечения профиля; для карлингсов любых палуб и плат­ форм нормируется отношение высоты стенки профиля к пролету; бимсы промежуточных палуб на жесткость не проверяются. Следо­ вательно, обеспечение жесткости палубного набора обычных гру­ зовых или пассажирских промежуточных палуб можно считать второстепенным требованием.

Однако для некоторых перекрытий жесткость их набора стано­ вится определяющим фактором, а достаточная прочность прове­

вибрации, ограничение частот и амплитуд, что может быть достиг­ нуто только при соответствующем выборе параметров жесткости настила и набора палубного перекрытия (толщины и размеры не-

8

подкрепленных участков пастила, моменты инерции сечения и про­ леты балок набора, применение вместо однородной системы набора системы с развитыми рамными связями) . Что касается обеспече­ ния статической прочности конструкции и их усталостной долго­ вечности, то эти требования заведомо выполняются при выборе геометрических характеристик перекрытия на основании соблю­ дения нормативов допустимой вибрации.

в составе экспедиций), отмечаются повышенные нагрузки на бор­ товые перекрытия. Соответственно в плоскости палубных перекры­ тий, расположенных в районе переменной ватерлинии, действуют

является проверка совместимости предъявляемых к конструкции

или оборудования помещений возникают дополнительные требова­ ния к габаритам и расположению балок набора, расстановке пил­ лерсов и т. д. Они могут оказаться несовместимыми с теми гео­ метрическими характеристиками судна или перекрытий, которые

9