Устройство для защиты днища судна при его посадке на грунт

Полезная модель относится к области судостроения, точнее к днищевым конструкциям корпусов судов с высокой местной прочностью, и может быть использована при посадке судов на грунт с их последующим осушением в местах отливов, в том числе на необорудованном берегу.
Известно днищевое перекрытие судна, содержащее стрингеры и флоры, расположенные в плоскостях шпангоутов, в промежутках между стрингерами, и ребра жесткости (см. Барабанов Н.В. «Конструкции корпуса морских судов», 3-е изд., перераб. и доп. - Л., Судостроение, 1981, рис. 177).
Недостатком аналога является низкая местная прочность днища судна и его высокая материалоемкость.
В качестве ближайшего аналога принято устройство для защиты днища судна при его посадке на грунт, выполненное виде пары замкнутых продольных элементов, расположенных симметрично относительно диаметральной плоскости судна и жестко закрепленных на обшивке днища, при этом каждый продольный элемент содержит опорную полосу, преимущественно горизонтальную, наклонные боковые стенки, верхние кромки которых жестко прикреплены к обшивке днища, и поперечные ребра жесткости, причем расстояние между верхними кромками наклонных боковых стенок больше ширины опорной полосы (см. патент РФ № 2559062, 2015 г.).
К недостаткам решения можно отнести значительное число узлов с высокой концентрацией напряжений в местах резких изменений высоты стенки флора. При повреждениях (трещины, разрывы) сварных швов обшивки в этих местах корпус судна лишается важнейшего свойства - водонепроницаемости. Отсеки затапливаются не сразу после повреждений, а в период прилива, и судно может не всплыть, потерять свойство плавучести. Силы давления грунта на обшивку днища остаются высокими и практически неизменными в процессе осушения, что способствует более глубокому погружению судна в грунт, т.к. наклонные полосы близки к вертикальному положению, что не позволяет по мере погружения судна в грунт существенно повысить площадь (ширину) контакта для передачи сил давления грунта. При этом данное решение предлагает увеличенное число стрингеров и сравнительно большую их высоту. Это повышает металлоемкость и стоимость днища при сохранении низкой технологичности изготовления и ремонтопригодности.
Задача, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, состоит в разработке конструкции внешней защиты днища судов, которая обеспечит повышение прочности, устойчивости и долговечности при посадке на грунт.
Технический результат, который достигается при решении поставленной задачи, выражается в повышении защиты днища судна при его посадке на грунт в силу следующих факторов:
- обеспечение высокой прочности и жесткости корпуса судна за счет крепления продольных элементов к обшивке днища в его конструктивно усиленных зонах;
- уменьшение глубины погружения судна в грунт за счет увеличения площади (ширины) контакта по мере погружения судна в грунт и соответственно снижения удельных сил давления грунта;
- существенное снижение материалоемкости, поскольку внутри корпуса не требуется установка дополнительных конструктивных связей;
- расширение области применения за счет возможности установки (как при строительстве, так и при ремонте судов) продольных элементов на судна с обводами различной формы;
- повышение надежности конструкции, т.к. при повреждении (трещинах и разрывах) продольных элементов корпус судна остается водонепроницаемым, а за счет относительно небольшой высоты продольных элементов указанные повреждения не оказывают существенное влияние на плавучесть и устойчивость судна.
Поставленная задача решается тем, что устройство для защиты днища судна при его посадке на грунт, выполненное в виде пары замкнутых продольных элементов, в полости корпусов которых установлены поперечные ребра жесткости, причем продольные элементы расположены симметрично относительно диаметральной плоскости судна, и верхние кромки их корпусов жестко прикреплены к обшивке днища, отличается тем, что поперечное сечение корпуса каждого продольного элемента выполнено каплеподобной формы с вершиной, направленной в сторону диаметральной плоскости судна, и образовано криволинейной линией обтекаемой формы, плавно сопряженной с наклонной прямой, причем верхняя кромка участка корпуса с поперечным сечением в виде криволинейной линии размещена под ближайшим к ней несущим элементом днищевого набора судна.
Кроме того, в судах с продольной системой набора днища верхняя кромка участка корпуса с поперечным сечением в виде криволинейной линии размещена в одной вертикальной плоскости с центральной осью ближайшего к ней несущего элемента днищевого набора судна.
Кроме того, в судах с поперечной системой набора днища верхние кромки корпусов продольных элементов размещены под ближайшими к ним несущими элементами днищевого набора судна.
Сопоставительный анализ совокупности существенных признаков предлагаемого технического решения и совокупности существенных признаков прототипа и аналогов свидетельствует о его соответствии критерию «новизна».
При этом отличительные признаки формулы полезной модели решают следующие функциональные задачи.
Признак, указывающий что «поперечное сечение корпуса каждого продольного элемента выполнено каплеподобной формы с вершиной, направленной в сторону диаметральной плоскости судна, и образовано криволинейной линией обтекаемой формы, плавно сопряженной с наклонной прямой» обуславливает асимметричную форму поперечного сечения продольных элементов, которая способствует уменьшению глубины погружения судна в грунт за счет увеличения площади (ширины) контакта.
Признак, указывающий, что «верхняя кромка участка корпуса с поперечным сечением в виде криволинейной линии размещена под ближайшим к ней несущим элементом днищевого набора судна» позволяет передать силы давления грунта через продольные элементы на обшивку днища в его конструктивно усиленных зонах и далее на несущие конструкции судна, обеспечивая высокую прочность днища судна без необходимости установки дополнительных конструктивных связей внутри корпуса.
На фиг.1 показана конструктивная схема продольного элемента.
На фиг.2 изображен поперечный разрез судна с продольными элементами:
а) с продольной системой набора корпуса судна;
б) с поперечной системой набора корпуса судна.
На фиг.3 приведен анализ эффективности продольных элементов одинаковой высоты и с разными формами поперечных сечений.
На чертежах показаны участок 1 корпуса продольного элемента с поперечным сечением в виде криволинейной линии, участок 2 корпуса продольного элемента с поперечным сечением в виде наклонной прямой, поперечные ребра жесткости 3 продольного элемента, обшивка днища 4 судна, опоры 5 и 6, продольные подкладные полосы 7 и 8 участков 1 и 2 соответственно, несущие элементы 9 днищевого набора, борт 10 и горизонтальный киль 11 судна.
Также на чертежах указаны следующие обозначения:
b - эффективная ширина продольного элемента при погружении судна в грунт на величину h;
h - глубина внедрения судна в грунт;
H - максимальная высота продольного элемента;
R - радиус криволинейной линии участка 1;
α - угол между наклонной прямой участка 2 корпуса продольного элемента и обращенной к ней поверхностью обшивки днища 4 судна.
Устройство для защиты днища судна при его посадке на грунт выполнено в виде пары замкнутых продольных элементов, расположенных симметрично относительно диаметральной плоскости (ДП) судна.
Каждый продольный элемент содержит корпус, в полости которого по длине, преимущественно с равным интервалом, установлены поперечные ребра жесткости 3, повышающие пространственную жесткость продольных элементов, причем верхние кромки участков 1 и 2 корпуса жестко закреплены на обшивке днища 4 судна на продольных подкладных полосах 7 и 8 соответственно.
При этом поперечное сечение корпуса выполнено каплеподобной формы с вершиной, направленной в сторону диаметральной плоскости судна, и образовано криволинейной линией обтекаемой формы участка 1, плавно сопряженной с наклонной прямой участка 2.
Опорные поверхности продольных элементов следует располагать ниже уровня горизонтального киля 11 судна.
На грунтах относительно высокой прочности это позволит избежать прямого контакта горизонтального киля 11 с грунтом.
На грунтах средней прочности возможен дополнительный контакт грунта в районе горизонтального киля 11. Этот район днища 4 является конструктивно усиленным для восприятия реакции килевой дорожки при постановках судов в док.
На грунтах с невысокой прочностью силы давления грунта могут охватывать значительную часть поверхности днища 4, включая районы с относительно низкой прочностью. Однако сила давления на эти районы будет меньше за счет первичного участия продольных элементов и конструктивно усиленных районов днища 4.
Верхние кромки участков 1 и 2 корпуса жестко прикреплены к их продольным подкладным полосам 7 и 8, предварительно приваренным к обшивке днища 4 в соответствующих опорах 5 и 6, причем верхняя кромка участка 1 корпуса с поперечным сечением в виде криволинейной линии размещена под ближайшим к ней несущим элементом 9 днищевого набора судна.
В судах с продольной системой набора днища верхняя кромка участка 1 корпуса с поперечным сечением в виде криволинейной линии размещена в одной вертикальной плоскости с центральной осью ближайшего к ней несущего элемента 9 днищевого набора судна, в качестве которого могут быть использованы продольная балка и/или стрингер.
В судах с поперечной системой набора днища верхние кромки участков 1 и 2 корпуса размещены под ближайшими к ним несущими элементами 9 днищевого набора судна, в качестве которых могут быть использованы стрингеры и/или бракеты и/или вертикальные ребра жесткости.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
При посадке судна, в процессе его погружения в грунт силы давления грунта на опорную поверхность корпуса каждого продольного элемента и далее на внешнюю поверхность участков 1 и 2 передаются через продольные подкладные полосы 7 и 8 на обшивку днища 4 и далее на опоры 5 и 6.
При этом по мере внедрения судна в грунт и увеличении глубины h растет и соответствующая эффективная ширина b продольного элемента, как следствие площадь (ширина) контакта судна с грунтом увеличивается, а значения удельных сил давления грунта наоборот падают, что приводит к минимизации глубины внедрения судна в грунт h.
Параметры продольных элементов определяют расчетным путем по известным методикам.
Сила взаимодействия судна с грунтом при полном осушении равна его весовому водоизмещению. При наличии внешней конструктивной защиты днища на нее должна приходиться значительная доля этой силы, вплоть до 100% - когда нет прямого контакта обшивки днища с грунтом.
Для повышения эффективности внешней конструктивной защиты днища важна суммарная площадь зон контакта судна с грунтом, зависящая от количества продольных элементов, их протяженности вдоль судна и эффективной ширины зоны этого контакта. Учитывая, что продольные элементы погружаются в грунт (тем больше, чем меньшие его сопротивление), эффективная ширина зоны контакта может меняться.
Правила Российского морского регистра судоходства предусматривают связь контактных давлений p с осадкой судна d и площадью контакта A по формуле:
При заданной силе контактных давлений p, равной весу судна, и проектной осадке судна d это позволяет оценить необходимую площадь контакта A для внешней конструктивной защиты.
При заданном количестве продольных элементов и их протяженности вдоль судна определению подлежит эффективная ширина продольных элементов b с учетом формы их поперечного сечения и глубины внедрения в грунт h.
Относительная ширина зоны контакта может быть определена в зависимости от относительной глубины внедрения в грунт () по формуле
При  формула (2) соответствует случаю сечения в виде полутрубы. Определение связей ширины от глубины внедрения для упрощённых (кусочно-линейных) форм не представляет трудности.
Как видно на фиг.3, асимметричная форма поперечного сечения при уменьшении угла наклона α способствует увеличению ширины зоны поддержания (контакта) и соответственно повышает эффективность работы продольных элементов.