Способ определения крутящего момента судна в условиях волнения
METHOD FOR DETERMINATION OF SHIP TORQUE IN ROUGH CONDITIONS

Изобретение относится к способам определения характеристик водных транспортных средств и позволяет определить величину крутящего момента судна в условиях волнения.
Определение внешних сил, действующих на корпус судна в условиях реального морского волнения, является одной из основных проблем строительной механики корабля. Внешние нагрузки и вызываемые ими внутренние силы являются основой расчетов прочности судовых конструкций.
При движении на волнении общая деформация корпуса судна может быть представлена шестью формами деформаций, которые обусловлены шестью внутренними силами в поперечных сечениях корпуса судна (см. фиг. 1):
- продольная (нормальная) сила N;
ВП
- перерезывающая (поперечная) сила в вертикальной плоскости Q;
ГП
- перерезывающая (поперечная) сила в горизонтальной плоскости Q;
ИВП
- изгибающий момент в вертикальной плоскости М;
ИГП
- изгибающий момент в горизонтальной плоскости М;
К
- крутящий момент М.
Наряду с общими деформациями корпуса в целом, вызванными этими силами, отдельные конструкции корпуса испытывают местные деформации, являющиеся следствием, как общих деформаций корпуса, так и местных силовых воздействий со стороны моря. К ним относятся:
1) при общем изгибе корпуса судна в вертикальной плоскости происходит симметричный изгиб палубных стрингеров в своей плоскости (палубный стрингер это лист настила палубы, примыкающий к борту; при широких люках, например на контейнеровозах, это полоса палубы между бортом и люком). При перегибе корпуса (изгиб выпуклостью вверх) палуба растягивается, и палубные стрингеры в силу внецентренности приложения растягивающей силы симметрично прогибаются в горизонтальной плоскости в сторону диаметральной плоскости (ДП). При прогибе корпуса (изгиб выпуклостью вниз) происходит обратный эффект – палубные стрингеры сжаты и выгибаются наружу;
2) при общем изгибе корпуса в горизонтальной плоскости один палубный стрингер оказывается растянут, а другой – сжат. При этом первый прогибается в сторону ДП, а второй наружу, т.е. происходит несимметричный изгиб палубных стрингеров в своей плоскости;
3) кроме того, в конструкциях корпуса возникают деформации при действии местных локальных нагрузок. При прохождении профиля волны вдоль борта или при ударе волны в борт происходит прогиб бортового перекрытия и сопряженного с ним палубного стрингера в сторону ДП. Поскольку такого рода воздействия на разные борта никак не синхронизированы и носят случайный характер, такой же характер имеют деформации, которые инициируются этими силами в корпусных конструкциях и, в частности, в настиле палубы.
Непосредственное измерение внешних сил, действующих на корпус судна в условиях нерегулярного морского волнения, является задачей практически невыполнимой. Для этого кроме прочего необходимо знать закон распределения давлений воды по поверхности всей погруженной части корпуса в любой момент времени, что технически невозможно.
Практически внешние нагрузки измеряют опосредованно путем измерения и анализа деформаций, которые возникают в судовых конструкциях при их действии. Одной из таких конструкций является палуба судна, на которую в определенных местах устанавливают датчики деформаций, например тензорезисторы. Очевидно, что датчики деформаций фиксируют суммарные деформации, вызываемые всеми составляющими внешних сил, и одной из основных задач при проведении натурных экспериментов является разделение суммарных деформаций на составляющие, обусловленные отдельными составляющими нагрузки.
Для судов с широким раскрытием палубы (большая относительная ширина люков), например контейнеровозов, одной из основных проблем прочности является кручение корпуса. Корпус в этом случае представляет собой практически открытый профиль и его сопротивление скручиванию на порядок отличается от жесткости корпуса аналогичных размеров без палубных вырезов, например танкера, который является закрытым профилем. В этом случае при значительном скручивании (фиг. 2) кроме обеспечения прочности самого корпуса существует проблема обеспечения герметичности люковых закрытий и обеспечения их прочности.
Известна расчетная схема для определения изгибающих моментов от изгиба палубного стрингера при действии сосредоточенных бимоментов, при которой палубный стрингер рассматривается как неразрезная балка, жестко заделанная по концам (см. А.П. Герман, В.В. Новиков, Г.П. Шемендюк, Вопросы прочности судов открытого типа – Вестник Инженерной школы Дальневосточного федерального университета 2013, стр. 101-102).
Недостатком является наложение напряжений от общего продольного изгиба корпуса судна и изгиба элементов палубы из-за кручения корпуса.
Известен способ определения крутящего момента судна в условиях волнения, включающий ассиметричную расстановку грузов и/или балласта с известными характеристиками по известной схеме, испытание судна на тихой воде с регистрацией измерительным устройством деформационных характеристик, на основе которых определяют величину момента в условиях волнения (см. Кандель Ф.Г., Галахов И.Н., Раскин Ю.Н., Фридлянский А.З. Прочность судов смешанного плавания. – Л., Судостроение, 1974).
Недостаток известного способа заключается в том, что разделение группы несимметричных составляющих общей деформации, в частности крутящего момента, сопряжен с трудоемкой математической обработкой результатов измерений. Кроме того, ни одна из схем соединения тензодатчиков не позволяют отфильтровать или выделить составляющую общей деформации палубного стрингера, обусловленную описанным выше (см. пункт 3 перечня местных деформаций) местным воздействием волны на борт судна.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, состоит в разработке способа измерения крутящего момента, действующего на корпус судна, с минимальными погрешностями, обусловленными влиянием других силовых воздействий.
Технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, выражается в возможности определении крутящего момента, действующего на корпус судна, за счет регистрации изменений деформаций балки от ее изгиба в горизонтальной плоскости во времени измерительным устройством.
Поставленная задача решается тем, что способ определения крутящего момента судна в условиях волнения, включающий ассиметричную расстановку грузов и/или балласта с известными характеристиками по известной схеме, испытание судна на тихой воде с регистрацией измерительным устройством деформационных характеристик, на основе которых определяют величину момента в условиях волнения, отличается тем, что грузы и/или балласты располагают таким образом, чтобы получить заданное значение крутящего момента, при этом в вырезе люка, расположенного в районе миделя судна, в диаметральной плоскости устанавливают измерительное устройство в виде балки, главные оси поперечного сечения которой являются осями симметрии, причем у концов балки, в ее горизонтальной плоскости симметрии, в продольном направлении, симметрично относительно диаметральной плоскости установлены датчики для измерения деформаций, кроме того балку жестко закрепляют по концам таким образом, чтобы ее горизонтальная плоскость симметрии совпала со срединной плоскостью палубного настила, далее проводят испытания на тихой воде с регистрацией изменений деформаций балки от ее изгиба в горизонтальной плоскости при каждом из заданных значений крутящего момента, на основе полученных данных составляют калибровочную зависимость деформаций от величины крутящего момента для используемого измерительного устройства, а в условиях волнения регистрируют изменение деформаций балки от ее изгиба в горизонтальной плоскости во времени измерительным устройством, и по полученной калибровочной зависимости определяют соответствующее изменение значений крутящего момента.
Сопоставительный анализ существенных признаков предлагаемого технического решения с существенными признаками прототипа свидетельствует о его соответствии критерию «новизна».
При этом отличительные признаки формулы изобретения решают следующие функциональные задачи.
Признаки, указывающие, что «грузы и/или балласты располагают таким образом, чтобы получить заданное значение крутящего момента», позволяют создавать в корпусе наперед заданные крутящие моменты асимметричной балластировкой грузов и/или балластов.
Признаки, указывающие, что «в вырезе люка, расположенного в районе миделя судна, в диаметральной плоскости (ДП) устанавливают измерительное устройство в виде балки, главные оси поперечного сечения которой являются осями симметрии, причем у концов балки, в ее горизонтальной плоскости симметрии, в продольном направлении, симметрично относительно диаметральной плоскости установлены датчики для измерения деформаций, кроме того балку жестко закрепляют по концам таким образом, чтобы ее горизонтальная плоскость симметрии совпала со срединной плоскостью палубного настила» описывают конструкцию измерительного устройства, его расположение в составе корпусных конструкций, расположение датчиков для измерения деформаций и схему их соединения, позволяющую осуществить предлагаемый способ, которые обеспечивают следующие эффекты:
ИВП
- деформации симметричной группы, вызванные продольной силой N и изгибающим моментом в вертикальной плоскости М, компенсируются попарным включением датчиков для измерения деформаций в рабочее и компенсационное плечи моста (фиг. 4);
- в силу симметрии поперечного сечения балки и конструкции ее крепления и, как результат, отсутствия внецентренности приложения продольной нагрузки, балка не испытывает изгиба в своей горизонтальной плоскости, характерного для палубных стрингеров, т.е. отсутствуют обусловленные этим изгибом деформации;
ИГП
- изгибающий момент в горизонтальной плоскости М не вызывает деформаций балки, расположенной в ДП, т.к. ДП при этом изгибе является нейтральной плоскостью;
ВП
- деформации от изгиба балки в вертикальной плоскости, обусловленного сдвигом ее опорных сечений при действии перерезывающей силы в вертикальной плоскости Q, на ее собственной нейтральной плоскости, где расположены датчики для измерения деформаций, равны нулю;
ГП
ГП
ГП
- деформации от изгиба балки в горизонтальной плоскости, обусловленного сдвигом ее опорных сечений при действии перерезывающей силы в горизонтальной плоскости Q, строго говоря будут иметь место и будут фиксироваться датчиками для измерения деформаций. Однако при этом следует иметь в виду, что, во-первых, сдвиговые деформации даже в районе максимума перерезывающей силы Q пренебрежимо малы, а во вторых, в районе миделя, где установлена балка, перерезывающая сила близка к нулю, т.е. в итоге влияние Q на точность измерений будет находится в пределах погрешностей;
- что касается случайных местных локальных нагрузок на бортовое перекрытие и обусловленных ими деформаций борта и сопряженного с ним палубного стрингера, то эти нагрузки никак не влияют на деформации установленной в ДП балки;
- единственной деформацией балки, которая фиксируется установленными на ней датчиками, будет деформация от ее изгиба в горизонтальной плоскости вследствие сдвига опорных сечений, обусловленного сдвиговой деформацией палубного перекрытия в результате действия крутящего момента.
Признаки «…далее проводят испытания на тихой воде с регистрацией изменений деформаций балки от ее изгиба в горизонтальной плоскости при каждом из заданных значений крутящего момента, на основе полученных данных составляют калибровочную зависимость деформаций от величины крутящего момента для используемого измерительного устройства…» обеспечивают калибровку измерительного устройства, т.е. устанавливается зависимость  между крутящим моментом  и фиксируемым измерительным устройством параметром деформации .
Признаки, указывающие, что «в условиях волнения регистрируют изменение деформаций балки от ее изгиба в горизонтальной плоскости во времени измерительным устройством, и по полученной калибровочной зависимости определяют соответствующее изменение значений крутящего момента» обеспечивают определение соответствующих значений крутящего момента в условиях волнения.
На фиг.1 показан характер изменения внутренних сил, действующих в поперечных сечениях корпуса судна и по его длине;
фиг.2 – характер деформации отсека корпуса судна при кручении;
фиг.3 – вариант ассиметричной расстановки грузов и/или балласта для получения заданного значения крутящего момента;
фиг.4 – показана конструкция измерительного устройства крутящего момента;
фиг.5 – схема соединения датчиков для измерения деформаций при измерении деформаций, обусловленных скручиванием корпуса;
фиг.6 – общий вид графика калибровочной зависимости деформаций от величины крутящего момента.
На чертежах показаны судно 1, грузы и/или балласт 2, вырез люка 3 в палубном настиле 4 судна 1, балка 5 и датчики 6 для измерения деформаций измерительного устройства, корпусная конструкция 7 судна 1, планки 8 и призонные болты 9.
Для осуществления способа применяют измерительное устройство, выполненное в виде балки 5, в которой обе главные оси поперечного сечения являются осями симметрии. У концов балки 5, в ее горизонтальной плоскости симметрии, в продольном направлении, симметрично относительно диаметральной плоскости установлены датчики 6 для измерения деформаций, например тензометрические.
Способ осуществляют следующим образом.
В вырезе люка 3, расположенного в районе миделя судна 1, в диаметральной плоскости устанавливают измерительное устройство.
Для этого концы балки 5 жестко соединяют с корпусной конструкцией 7, например комингсом с помощью планок 8 и призонных болтов 9, устанавливаемых в точно обработанные отверстия по посадке без зазора, что исключает подвижность соединения. При этом балку 5 закрепляют таким образом, чтобы ее горизонтальная плоскость симметрии совпала со срединной плоскостью палубного настила 4.
Асимметричной расстановкой грузов и/или балласта 2 создают в корпусе судна 1 наперед заданные крутящие моменты (фиг.3) и проводят испытания судна 1 на тихой воде с регистрацией изменений деформаций балки 5 от ее изгиба в горизонтальной плоскости при каждом из заданных значений крутящего момента. При этом тензометрические датчики 6 попарно включают в измерительную и компенсационную диагонали измерительного моста в соответствии со схемой, показанной на фиг.5.
На основе полученных данных составляют калибровочную зависимость деформаций от величины крутящего момента для используемого измерительного устройства, т.е. устанавливают зависимость  между крутящим моментом  и фиксируемым измерительным устройством параметром деформации . Калибровочная зависимость представляет собой прямолинейный график вида, показанного на фиг.6.
В условиях волнения регистрируют изменение деформаций балки 5 от ее изгиба в горизонтальной плоскости во времени измерительным устройством, при этом тензометрические датчики 6 попарно включают в измерительную и компенсационную диагонали измерительного моста в соответствии со схемой, показанной на фиг.5, и по полученной калибровочной зависимости определяют соответствующее изменение значений крутящего момента.
Результат калибровки кроме графика представлялся аналитической зависимостью вида
,
где  – приращение показаний шкалы измерительного устройства на ступень изменения калибровочного крутящего момента;
– ступень приращения калибровочного крутящего момента;
– калибровочный коэффициент.
При натурных испытаниях по показаниям измерительного устройства ПИ вычисляют соответствующий волновой крутящий момент МИ по формуле
.
На крупных контейнеровозах при очень широкой палубе, для обеспечения прочности люковых крышек в качестве балки 5 измерительного устройства можно использовать расположенную в ДП продольную межлюковую перемычку, разделяющую люк по ширине на две части.