Современные методики проектирования мачт для парусного судна

Проектирование мачт парусных судов и яхт в настоящее время осуществляется на основе существующих общедоступных правил, например, [2,3], либо с помощью дополнения методик расчёта похожих конструкций [4], либо с помощью оригинальных «фирменных» методик, закрытых для внешнего использования.

В первом случае конструктор имеет дело с нормативными документами, основанными на простых расчетных моделях, не учитывающих многих особенностей работы парусов и рангоута не только спортивных, но и круизных судов и яхт. Принятые здесь запасы прочности и устойчивости элементов конструкции обеспечивают в целом ее надежность, но приводят к неприемлемым показателям по массе и аэродинамическому сопротивлению.

Во втором случае, в качестве конструкторов, как правило, выступают любители парусного спорта, не желающие (не имеющие возможность) платить за расчёт мачты конструкторскому бюро. В указанной методике [4] изменяют некоторые этапы расчётов. Допустим, меняют способы учёта внешних ветровых воздействий, вводят коэффициенты для учёта качки и пр. В итоге, такие конструкции заведомо являются опасными. При этом, даже в традиционные конструкции с целью их упрощения, облегчения и уменьшения стоимости часто вносятся необоснованные субъективные решения, не говоря уже о конструкциях нетрадиционных и экстремальных.

В третьем случае проектировочный и проверочный расчет мачт выполняется фирмой как один из этапов работ по изготовлению рангоута «на заказ». При этом методика расчета представляет собой «черный ящик», а надежность конструкции гарантируется фирмой.

Обобщая суть проблемы отсутствия единой, качественной, нормированной методики расчёта рангоута и такелажа в России, следует отметить и тот факт, что, несмотря на выход новой редакции (утверждено 08.06.2010) [5] Российского Морского Регистра Судоходства, своих официальных правил конструирования рангоута парусных судов и яхт не существует.

Учитывая данные трудности, несколько лет назад, для повышения надежности мачт парусных судов и яхт в СПбГМТУ была создана оригинальная методика [6,7], состоящая из двух компьютерных программ, уточняющих и автоматизирующих весь процесс проектно-проверочных расчетов.

Указанная методика неоднократно использовалась при проектировании и модернизации мачт парусных судов и яхт и хорошо себя зарекомендовала как в вопросах расчёта, так и в вопросах последующей оценки надёжности ванто-стержневых систем.

В 2010 году, данная методика применялась мною в бакалаврской дипломной работе, для исследования вопроса общей прочности и устойчивости ванто-стержневой системы парусного судна [1]. И в данной работе, она вновь взята за основу. Для удобства, назовём её методикой СПбГМТУ.

Методика сПбГмту

Методика представляет собой расчёт конструкции ванто-стержневой системы с помощью двух компьютерных программ.

В первой программе «MAST» по данным судна из его мерительного свидетельства вычисляются распределенные и сосредоточенные нагрузки, передающиеся с парусов на рангоут и такелаж. Нагрузки вычисляются как предельные для максимальной остойчивости судна или для заданной скорости ветра. Учитывается курс судна и положение парусов относительно ветра, их число и форма, количество мачт, их парусность и т.п. В программе используется уточненная модель паруса, и дополнительно вычисляются усилия в фалах, шкотах и штагах, площади парусов и центры парусности.

Вторая программа «FESTA» реализует пошаговое нагружение выбранной системы «мачта-такелаж» совокупностью нагрузок, определенных в «MAST». Мачта, краспицы и такелаж моделируются пространственной тросово-стержневой системой с помощью специальных конечных элементов. Имеется возможность задания начального натяжения тросов стоячего такелажа, любого поперечного сечения мачты и краспиц, нелинейных опор, различной связи перемещений в узлах модели, исключения или добавления узлов и элементов модели и др.

В элементах мачт и краспиц учитывается состояние сложного изгиба, сжатия и кручения, а в тросах только растяжения, в том числе и от поперечной нагрузки с парусов. Нагрузка возрастает с заданным шагом в долях от предельной с нулевой до критической, при которой утрачивается устойчивость системы. Превышение критической нагрузки над предельной характеризует запас устойчивости конструкции. На каждом шаге нагрузки вычисляются перемещения, усилия и напряжения в системе, которые могут графически отображаться на дисплее в удобном виде. Запас прочности рангоута и такелажа определяется для предельной нагрузки по допускаемым напряжениям и разрывным усилиям тросов.