КОРПУС СУДНА
SHIP HULL

Изобретение относится к области судостроения, в частности к проектированию корпусов судов.
Известна конструкция передней части судна вытеснительного типа (RU №2374120, МПК В63В 1/06, опубл. 27.11.2009 г.) с поперечной симметрией относительно центральной оси, причем образующие линии корпуса увеличиваются по ширине от базовой линии. Низ является плоским или имеет килеватость и переходит в днище с заданным радиусом днища. От днища и до заданной высоты образующие линии немного наклонены наружу. На уровне палубы бака форма наклонной наружу линии прекращается и проходит вверх в виде изогнутой линии обратно в направлении центральной оси.
Данная конструкция обладает следующими недостатками:
- судно имеет большую парусность;
- рулевая рубка удалена от машинного отделения, что затрудняет прокладку кабельных трасс;
- плохие условия обитаемости;
- удары волн могут выбить иллюминаторы в рубке и привести к повреждению навигационного оборудования;
- при большой высоте волн они могут перехлестнуться через надстройку, при этом плоские поверхности палубы будут способствовать захвату носа судна волной [Бураковский Е.П., Бураковский П.Е. Некоторые проблемы обеспечения общей прочности судов в чрезвычайных ситуациях // Труды Крыловского государственного научного центра - Вып. 82(366), 2014 - С. 21-30];
- плохая всхожесть на волну, т.к. из-за стройности ватерлинии судно врезается в волну, и она скручивается над носом и в сторону, в результате чего нос судна может быть захвачен волной, что приведет к гибели судна.
Известен корпус судна с завалом борта и обратным наклоном форштевня (US №6601529, В63В 3/00, опубл. 05.08.2003 г.).
Недостатком данной конструкции является низкая остойчивость судна, что может привести к его опрокидыванию и гибели экипажа. Это объясняется уменьшенной по сравнению с традиционной конструкцией площадью ватерлинии, особенно при прохождении гребней волн, а также невысокими значениями восстанавливающего момента, действующего на судно при его накренении, что обусловлено малой величиной погружаемых в воду объемов судна при наклоне.
В качестве ближайшего аналога принят корпус судна, представляющий собой непроницаемую оболочку, состоящую из тонких листов, которые подкреплены балками, выполненными из прокатных или составных сварных профилей (Барабанов Н.В. Конструкция корпуса морских судов. Л., Судостроение, 1981. - 552 с., с. 9-11, рисунок 1).
Данная конструкция обладает существенным недостатком, заключающимся в возможности захвата носовой оконечности волной, что обусловлено наличием плоских поверхностей палубы и надстройки бака, вследствие чего может произойти падение метацентрической высоты и опрокидывание судна либо разрушение его корпуса [Бураковский Е.П., Бураковский П.Е. Некоторые проблемы обеспечения общей прочности судов в чрезвычайных ситуациях // Труды Крыловского государственного научного центра. - Вып. 82 (366), 2014.- С. 21-30]. Захват носовой оконечности волной означает, что при сильном заливании палубы она работает в подводном положении как крыло, обтекаемое потоком жидкости, в результате чего на плоских поверхностях возникает равнодействующая сил давления, определяющаяся углом атаки и скоростью набегающей жидкости. Это обтекание неустойчиво, в результате чего равнодействующая может в любой момент сместиться в сторону от диаметральной плоскости и вызвать сильный крен или опрокидывание судна, а также разрушение его корпуса. Под действием равнодействующей гидродинамических сил дифферент судна растет, при этом наблюдается резкое снижение поперечной метацентрической высоты, что способствует опрокидыванию судна.
Изобретение решает задачу повышения безопасности мореплавания, исключая катастрофическое снижение остойчивости судна и разрушение его корпуса при захвате волной носовой оконечности за счет выполнения носовой оконечности с возможностью при критических значениях воздействующей гидродинамической силы изменять форму, улучшая обтекаемость, и восстанавливать форму до первоначальной при отсутствии внешних критических гидродинамических нагрузок.
Для решения поставленной задачи в корпусе судна, выполненном в виде непроницаемой оболочки, сформированной из наружной обшивки и балок набора, предлагается носовую оконечность корпуса в верхней части выполнить обтекаемой, а плоскую поверхность палубы в носовой оконечности сформировать булями, обеспечивающими развал борта. Були предлагается оснастить упругими элементами, расположенными в направляющих, закрепленных на обтекаемой поверхности носовой оконечности корпуса. Жесткость упругих элементов предлагается выбрать такой, чтобы происходило смещение булей по направлению к днищу при достижении критической величины воздействующей гидродинамической силы, соответствующей предельно допустимому падению метацентрической высоты для данного судна, и возвращение булей в первоначальное положение при отсутствии внешних критических гидродинамических нагрузок.
В предлагаемом техническом решении при достижении гидродинамической силой, действующей на носовую оконечность, критического значения происходит смещение сдвигаемых булей по направлению от палубы к днищу, в результате чего улучшается обтекание корпуса судна и снижается действующая на него нагрузка, за счет чего исключается опрокидывание судна и разрушение его корпуса.
На прилагаемых графических материалах изображено:
на фиг. 1 - поперечное сечение корпуса судна в районе носовой оконечности;
на фиг. 2 - вид А на фиг. 1.
На графических материалах приняты следующие обозначения:
1 - основная часть корпуса;
2 - сдвигаемые були;
3 - упругий элемент;
4 - направляющая;
5 - скользящая шайба.
Конструкция корпуса судна состоит из наружной обшивки и балок набора, формирующих основную часть корпуса 1 и сдвигаемые були 2, снабженные упругими элементами 3, соединенными со скользящими шайбами 5, установленными в направляющих 4.
Корпус судна работает следующим образом. При движении судна на сильном встречном волнении может происходить периодическое погружение в воду носовой оконечности, что ведет к появлению сложного режима обтекания палубы. В таких условиях возможно возникновение значительных нагрузок, действующих на корпус судна, вызванных обтеканием погруженной палубы, которую можно рассматривать как крыло сложной формы, расположенное под углом атаки к набегающему потоку жидкости. Под действием гидродинамической силы дифферент судна будет увеличиваться, а параметры его остойчивости резко снижаться. Кроме того, происходит рост напряжений от общего изгиба, что может привести к разрушению корпуса судна [Бураковский Е.П., Бураковский П.Е. Некоторые проблемы обеспечения общей прочности судов в чрезвычайных ситуациях // Труды Крыловского государственного научного центра - Вып. 82 (366), 2014 - С. 21-30]. При достижении гидродинамической силой критического значения в предлагаемой конструкции произойдет смещение сдвигаемых булей 2 по направлению от палубы к днищу с преодолением сопротивления упругих элементов 3, установленных в направляющих 4. После смещения сдвигаемых булей 2 гидродинамические нагрузки, действующие на основную часть корпуса 1, уменьшатся за счет обтекаемой формы обводов в носовой оконечности основной части корпуса 1. Такая форма обводов позволит снизить нагрузку на носовую оконечность при ее обтекании со стороны палубы более чем в два раза по сравнению с конструкцией ближайшего аналога, характеризующейся наличием плоских поверхностей палубы [Бураковский Е.П., Бураковский П.Е. Некоторые проблемы обеспечения общей прочности судов в чрезвычайных ситуациях // Труды Крыловского государственного научного центра. - Вып. 82 (366), 2014 - С. 21-30]. При этом после перемещения сдвигаемых булей 2 в нижнее положение условия обтекания корпуса судна по направлению от днища к палубе ухудшатся, т.е. возрастет сопротивление движению носовой оконечности вниз, что уменьшит ее погружение в воду и, как следствие, снизит величину воспринимаемой гидродинамической силы. После прекращения действия гидродинамической силы сдвигаемые були 2 займут свое первоначальное положение на основной части корпуса 1 под действием упругих элементов 3. Таким образом, при отсутствии воздействия экстремальных нагрузок на носовую оконечность в случае реализации предлагаемой конструкции судно будет иметь значительную площадь ватерлинии и, соответственно, обладать высокой поперечной остойчивостью.
В качестве упругих элементов 3 могут быть использованы, например, витые цилиндрические пружины, соединенные со скользящими шайбами 5, установленными в направляющих 4. При этом скользящие шайбы 5 должны иметь возможность перемещения внутри направляющих 4, но воспринимать усилия, направленные перпендикулярно направляющим. Для этого в качестве направляющих 4 может быть использована, например, труба с продольной прорезью, изогнутая по форме основной части корпуса 1 и жестко соединенная с ней. Скользящая шайба в этом случае может быть выполнена, например, в виде диска с таким диаметром, чтобы при помещении его в трубу между ее внутренними стенками и наружной цилиндрической поверхностью диска имелся зазор заданной величины для обеспечения свободного перемещения скользящей шайбы 5 вдоль направляющей (при отсутствии упругих элементов 3) и малого перемещения в перпендикулярном направлении. Соединение сдвигаемых булей 2 и скользящих шайб 5 может быть выполнено, например, за счет оснащения скользящих шайб 5 выступами, проходящими через продольную прорезь в трубе и выходящими за ее наружную поверхность. К указанным выступам сдвигаемые були 2 могут быть прикреплены, например, с использованием сварки, клепки либо резьбовых соединений. При этом перемещение сдвигаемых булей 2 и соединенных с ними скользящих шайб 5 вниз по направляющим 4 будет происходить с преодолением сопротивления упругих элементов 3, перемещение в противоположном направлении будет осуществляться под действием упругих элементов 3.
Для обеспечения своевременного перемещения сдвигаемых булей 2 жесткость упругих элементов 3 должна быть такой, что их деформирование будет происходить при достижении критической величины гидродинамической силы, соответствующей предельно допустимому падению метацентрической высоты для данного судна, либо предельно допустимому росту напряжений от общего изгиба в его корпусе. Указанное значение гидродинамической силы может быть оценено для каждого конкретного судна с использованием аппарата теории корабля и строительной механики корабля в соответствии с [Бураковский Е.П., Бураковский П.Е. Некоторые проблемы обеспечения общей прочности судов в чрезвычайных ситуациях // Труды Крыловского государственного научного центра - Вып. 82 (366), 2014 - С. 21-30].
Таким образом, предлагаемая конструкция позволяет исключить потерю остойчивости и разрушение корпуса судна при движении на встречном волнении в штормовых условиях, в отличие от конструкции корпуса в ближайшем аналоге, что способствует повышению безопасности мореплавания.