- Расчет элементов теоретического чертежа
- Задача на определение площади мидель-шпангоута.
- Как определить площадь мидель шпангоута
- Остойчивость судна
- Определение местоположения центра тяжести, центра величины и метацентра судна
- Изменение остойчивости судна под действием вертикальных сил
- 1. Линия действия вертикальной силы проходит через центр тяжести судна
- 2. Линия действия вертикальной силы расположена в диаметральной плоскости судна
- 3. Линия действия вертикальной силы расположена в плоскости мидель-шпангоута
- 📺 Видео
Видео:Площадь прямоугольника. Как найти площадь прямоугольника?Скачать
Расчет элементов теоретического чертежа
Для изучения навигационных качеств судна необходимо знать величины, от которых они зависят. К таким величинам относится группа показателей, характеризующих геометрию корпуса судна и называемых – элементы теоретического чертежа; последние также называют – гидростатические показатели судна.
К элементам теоретического чертежа относят:
V | – | объемное водоизмещение, м 3 ; |
zс | – | аппликата центра тяжести погруженного объема корпуса (аппликата центра величины – ЦВ), м; |
хс | – | абсцисса ЦВ, м; |
хf | – | абсцисса центра тяжести площади ватерлинии, м; |
S | – | площадь ватерлинии, м 2 ; |
w | – | погруженная площадь шпангоута, м 2 ; |
d,a,b | – | коэффициенты полноты: водоизмещения, площади ватерлинии и погруженной площади шпангоута соответственно; |
Ix | – | момент инерции площади ватерлинии относительно продольной оси 0Х, м 4 ; |
If | – | момент инерции площади ватерлинии относительно поперечной оси, проходящей через ее центр тяжести, м 4 ; |
r | – | малый (поперечный) метацентрический радиус, м; |
R | – | большой (продольный) метацентрический радиус, м. |
Элементы теоретического чертежа принято делить на две группы: элементы плавучести (V, S, w, zс, хc, хf, a, d, b) и элементы начальной остойчивости (Ix, If, r, R). Применение элементов плавучести показано в разделе «Плавучесть» настоящего пособия.
Основным параметром, характеризующим посадку судна (положение судна относительно воды), является его заглубление (z). При отсутствии крена и дифферента (посадка прямо и на ровный киль) заглубление является единственным параметром посадки, а при произвольной посадке – основным параметром. С учетом отмеченного, значения элементов теоретического чертежа принято представлять в виде зависимостей (кривых) от погружения (рис. 1.10).
На рис. 1.10 не представлена зависимость изменения погруженной площади шпангоутов (w). В качестве базы (аргумента) для представления изменения w принимается длина ватерлинии (L) при некотором значении погружения (z). График такой зависимости (рис. 1.11) называется строевая по шпангоутам.
Общие выражения для элементов плавучести. Для вычисления объемного водоизмещения, координат центра величины и других элементов плавучести используется теоретический чертеж.
Выделим из подводного объема корпуса двумя плоскостями шпангоутов, отстоящих на бесконечно малую величину dx элемент этого объема (рис. 1.12, а). Объем такого элемента будет w · dx, а погруженный объем судна определится интегрированием этого выражения по длине судна
(1.4) | |
Рис. 1.10. Кривые элементов теоретического чертежа*)
Рис. 1.11. Строевая по шпангоутам
Для определения абсциссы центра величины (хс) воспользуемся теоремой о том, что статический момент объема (V) относительно миделя равен суммарному моменту его элементов, т.е.
(1.5) |
(1.6) |
Рис. 1.12. К определению водоизмещения и координат центра величины
Рассмотрим элемент подводного объема, ограниченный плоскостями двух ватерлиний отстоящих на расстоянии z и z + dz от основной плоскости (см. рис. 1.12, б). Объем выделенного элемента будет S · dz, а погруженный объем корпуса по ватерлинию при осадке Т будет
(1.7) |
Аппликата центра величины определится, аналогично (1.6), через статический момент объема относительно основной плоскости
(1.8) |
В полученные выражения входят площади шпангоутов и площади ватерлиний, которые вычисляются по их ординатам «у», снятым с теоретического чертежа.
Погруженная площадь шпангоута (рис. 1.13) определяется интегрированием элементарных площадок y · dz в пределах осадки судна, т.е.
(1.9) |
Рис. 1.13. К определению площади шпангоута
Площадь ватерлинии определяется интегрированием элементарных площадок y · dx (рис. 1.14) по длине ватерлинии, т.е.
(1.10) |
Рис. 1.14. К определению площади ватерлинии и абсциссы ее центра тяжести
В формулах (1.9) и (1.10) присутствует сомножитель 2, т.к. ордината (у) измеряется от ДП на один борт.
Абсцисса центра тяжести площади ватерлинии, определяющая положение этого центра (точка F на рис. 1.14) относительно миделя, находится как
(1.11) |
где | Мх | – | статический момент площади ватерлинии относительно оси 0У; |
S | – | площадь ватерлинии. |
Статический момент элементарной площадки (см. рис. 1.14) относительно оси 0У равен ; а для всей площади ватерлинии будем иметь
(1.12) |
С учетом (1.12) выражение (1.11) будет иметь вид
(1.13) |
Объемное водоизмещение судна можно определить с использованием площадей шпангоутов по формуле (1.4) или площадей ватерлинии по формуле (1.7), а также с использованием ординат точек теоретической поверхности корпуса.
Так, если в формуле (1.4) площадь шпангоута заменить ее выражением (1.9) получим
(1.14) |
Аналогично, если в формуле (1.7) площадь ватерлинии заменить ее выражением (1.10) будем иметь
(1.15) |
Общие выражения для определения коэффициентов полноты a, b, d, относящихся к элементам плавучести, представлены формулами (1.1) (1.2) и (1.3); применение последних возможно при известных значениях (S, V и w).
Представленные выше общие выражения для определения элементов плавучести содержат определенный интеграл, который может иметь точное решение, если функция задана аналитически.
Зависимости, описывающие теоретическую поверхность корпуса судна, задаются в виде чертежа, т.е. в графическом виде. В этом случае определенный интеграл вычисляют по приближенным формулам (формулам квадратур). В расчетах по теории корабля формулы квадратур называют правилами. В практике судостроительных расчетов получили распространение три правила: правило трапеций, правило Симпсона и правило Чебышева. Достоинство правила трапеций – простота и наглядность; оно широко используется на практике.
Правило трапеций. Суть этого правила и его применение для расчета элементов плавучести представлены ниже.
Если необходимо вычислить определенный интеграл вида , а подинтегральная функция y=f(x) задана в виде кривой (рис. 1.15), то геометрическим выражением интеграла будет площадь (А), ограниченная заданной кривой, осью абсцисс и концевыми ординатами. Для приближенного вычисления площади она делится на ряд трапеций с одинаковой высотой; в таком случае вычисление интеграла сводится к определению площади, ограниченной ломаной линией, т.е. к вычислению суммы площадей трапеций, основаниями которых являются ординаты у0, y1, … yn:
≃
где – высота трапеции; n – число интервалов.
Так как половина каждой ординаты, кроме крайних, входит в полученное выражение дважды, формула может быть преобразована к виду
≃ . | (1.16) |
Рис. 1.15. Применение правила трапеций к вычислению площадей
Обозначим полную сумму всех ординат, включая крайние, как
, | (1.17) |
а полусумму крайних ординат, называемую поправкой к сумме, как
. | (1.18) |
С учетом (1.17) и (1.18), часть выражения (1.16), заключенная в скобках, будет представлять собой исправленную сумму ординат кривой, т.е.
В результате, формулу для приближенного расчета площади по правилу трапеций можно представить в виде
≃ . | (1.19) |
Правило трапеций может быть применено для вычисления любых определенных интегралов, при этом подинтегральная функция y = f(x) может иметь любой геометрический или физический смысл.
Расчет площади шпангоута. Шпангоут задается его очертанием на проекции «корпус» теоретического чертежа (см. рис. 1.13). по правилу трапеций площадь шпангоута определяется как сумма площадей трапеций с одинаковой высотой , т.е.
. | (1.20) |
После преобразований и принятых по правилу трапеций обозначений (1.16) – (1.18) выражение (1.20) можно представить в виде
, | (1.21) |
где | к | – | номер ватерлинии по которую определяется площадь шпангоута; |
– | исправленная сумма ординат (j – номер ватерлинии). |
На рис. 1.13 по ватерлинии j = 0 введена исправленная ордината (у0); правила построения исправленных (приведенных) ординат даны в [3].
Расчет площади ватерлинии и абсциссы ее центра тяжести. Площадь ватерлинии по правилу трапеций вычисляется по формуле
, | (1.22) |
где | DL | – | интервал между шпангоутами, т.е. теоретическая шпация (см. рис. 1.14); |
– | исправленная сумма ординат ватерлинии; где n, n¢ – номера крайних носового и кормового шпангоутов, которые пересекает данная ватерлиния; i – номер шпангоута: принято для носовой части ватерлинии – i, для кормовой – i¢ (см. рис. 1.14). |
Абсцисса центра тяжести площади ватерлинии (хf) определяет положение этого центра (точка F на рис. 1.14) относительно оси 0У. Общие выражения для этого показателя представлены формулами (1.11) (1.12) и (1.13). Необходимый для определения хf статический момент (Мх) площади ватерлинии относительно оси 0У, по правилу трапеций можно представить в следующем виде
, | (1.23) |
, | (1.24) |
где | i, i¢ | – | номер носового и кормового шпангоутов, равноудаленных от миделя; |
n, n¢ | – | номер крайнего носового и кормового шпангоутов соответственно. |
Подстановка (1.24) в (1.23) позволяет, в итоге, получить следующее выражение
. | (1.25) |
Для вычисления абсциссы центра тяжести площади ватерлинии с учетом (1.11) (1.22) и (1.25) будем иметь
≃ | (1.26) |
Вычисление xf с помощью формулы (1.26) производится по схеме табл. 1.2.
Видео:Площадь треугольника. Как найти площадь треугольника?Скачать
Задача на определение площади мидель-шпангоута.
Определить площадь мидель-шпангоута, если длина судна равна L=75 м, коэффициент полноты мидель-шпангоута β=0.92. Отношение длины к ширине судна 6, ширины к осадке 3.
Решение:
Ширина судна:
B=L/6=75/6=12.5 м
Осадка судна:
Т=B/3=12.5/3=4.17 м
Коэффициент полноты площади мидель-шпангоута β — отношение площади мидель-шпангоута ωФ к площади прямоугольника со сторонами В, Т;
β= ωФ/(В×Т)
Отсюда площадь мидель-шпангоута:
ωФ=β×B×T
Cучетом найденных ранее величины
ωФ=β×B×T=0.92×4.17×12.5=48 м2
Видео:Что такое площадь. Как найти площадь прямоугольника?Скачать
Как определить площадь мидель шпангоута
Для изучения формы корпуса, оказывающей значительное влияние на навигационные качества судна, корпус принято рассекать тремя взаимно перпендикулярными плоскостями, которые называются главными плоскостями судна (рис.1а.), (рис.1б.), (рис.1в.).
Вертикальная продольная плоскость, делящая корпус судна на две симметричные части, называется диаметральной плоскостью.
Вертикальная поперечная плоскость, проходящая посередине расчетной длины корпуса судна и делящая его на носовую и кормовую части, называется плоскостью мидель-шпангоута.
Горизонтальная плоскость, совпадающая с поверхностью спокойной воды при плавании судна по расчетную осадку и делящая судно на подводную и надводную части, называется плоскостью конструктивной ватерлинии (КВЛ), или плоскостью грузовой ватерлинии (ГВЛ).
Корпус судна характеризуется следующими основными размерами: длиной L , шириной В , высотой борта Н и осадкой Т , которые называются главными размерениями судна . Различают главные размерения: теоретические (расчетные) и габаритные.
Порядок измерения теоретических и габаритных размеров судна показан на (рис.1а.), (рис.1б.), (рис.1в.).
Соотношения между главными размерениями судна определяют в значительной мере его навигационные качества.
На ходкость судна влияют отношения: и .
Остойчивость судна характеризуется отношениями: , , .
Управляемость: .
Прочность: и .
Значения соотношений между главными размерениями для судов различных типов приводятся в судостроительной литературе.
Важными характеристиками для оценки навигационных качеств корпуса судна являются коэффициенты полноты его обводов.
Отношение площади конструктивной ватерлинии S к площади описанного прямоугольника со сторонами L и B называется коэффициентом полноты конструктивной ватерлинии и определяется по формуле: .
Отношение площади подводной части мидель-шпангоута F к площади прямоугольника со сторонами B и T называется коэффициентом полноты мидель-шпангоута : .
Аналогичное соотношение для площади подводной части диаметральной плоскости называется коэффициентом полноты диаметрали : ,
где A — площадь подводной части диаметральной плоскости.
Отношение объема подводной части корпуса V к объему описанного параллелепипеда со сторонами L , B , T называется коэффициентом полноты водоизмещения , или общим коэффициентом полноты : .
Судно может находиться в равновесии на воде при соблюдении двух условий: во-первых, сила веса судна с находящимся на нем грузом должна равняться силе водоизмещения и, во-вторых, сила веса и сила водоизмещения должны действовать по одной вертикали. Из второго условия вытекает, что центр величины судна должен быть расположен на одной вертикали с его центром тяжести.
Согласно закону Архимеда, сила водоизмещения D равна весу воды, вытесненной судном, т. е. равна объему подводной части корпуса судна V , умноженному на объемный вес воды : .
Водоизмещение является мерой плавучести судна. Вес вытесняемой судном воды, численно равный весу судна, называется весовым водоизмещением . Объем вытесняемой судном воды, равный объему подводной части корпуса судна, называется объемным водоизмещением . Различают водоизмещение судна в порожнем состоянии и водоизмещение судна с максимально возможной нагрузкой. Весовое водоизмещение судна в порожнем состоянии численно равно сумме весов корпуса, надстроек, механизмов, устройств и оборудования судна. Весовое водоизмещение судна с максимально возможным грузом на борту численно равно сумме веса порожнего судна и веса всех грузов, принятых на судно до его погружения по расчетную осадку.
Для того чтобы вычислить водоизмещение судна по его теоретическому чертежу, нужно определить объем подводной части корпуса. Корпус судна в большинстве случаев имеет криволинейные обводы. Поэтому точный объем подводной части корпуса, как правило, вычислить не удается. В теории корабля для определения объемного водоизмещения судна, а также для вычисления площадей криволинейных фигур чаще всего пользуются приближенным приемом, называемым правилом трапеций (рис.2.).
Разделим рассматриваемую площадь по высоте на m одинаковых частей, равных числу ватерлиний на теоретическом чертеже судна.
Каждую часть площади, ограниченную двумя смежными ватерлиниями можно приближенно заменить трапецией с высотой: ,
где — расстояние между ватерлиниями на теоретическом чертеже судна; T — осадка судна.
Площадь половины шпангоута равна сумме площадей всех трапеций: .
Величина, равная полусумме крайних ординат, называется поправкой: .
Разность между полной суммой ординат и поправкой называется исправленной суммой: .
И тогда полная площадь шпангоута равна: .
Ординаты для каждого шпангоута могут измеряться как в реальном масштабе, так и в его проекциях для различных моделей.
Площади ватерлиний определяются: .
где n — число шпаций на теоретическом чертеже судна; L — длина судна.
В этом случае объем подводной части корпуса судна можно представить как сумму объемов отдельных отсеков, заключенных между каждыми двумя смежными теоретическими шпангоутами (рис.3.).
При этом длина каждого отсека определяется: ,
а его объем: .
Суммируя объемы , можно представить формулу для объемного водоизмещения судна следующим образом: .
Исправленная сумма площадей шпангоутов определяется по следующей зависимости: ,
где — сумма площадей всех шпангоутов; — площади крайнего носового и крайнего кормового шпангоутов.
Аналогичным образом можно получить зависимости для определения объемного водоизмещения судна, если суммировать по высоте объемы его отсеков, заключенных между смежными ватерлиниями: ,
где ; — сумма площадей всех ватерлиний; — площади днища судна и конструктивной ватерлинии.
При отсутствии теоретического чертежа объемное водоизмещение судна можно приближенно определять по его главным размерениям: ,
где L , B , T — соответственно длина, ширина и осадка судна; — коэффициент полноты водоизмещения или общий коэффициент полноты.
Значения коэффициента полноты для различных типов судов принимаются по справочным данным.
Для характеристики распределения сил водоизмещения по длине судна строят специальную эпюру, называемую строевой по шпангоутам (рис.4.).
Для построения этой эпюры горизонтальная линия, выраженная в принятом масштабе теоретическую длину судна, делится на n одинаковых частей, равных числу шпаций на теоретическом чертеже судна.
На перпендикулярах, восстановленных в точках деления, откладывают в определенном масштабе величины площадей погруженных частей соответствующих шпангоутов и концы этих отрезков соединяют плавной линией.
Площадь строевой по шпангоутам равна объему водоизмещения судна.
Так как центр величины судна находится в центре тяжести подводной части судна, а площадь строевой выражает собой объем подводной части, то абсцисса центра тяжести строевой по шпангоутам равна абсциссе центра величины судна.
Аналогичная эпюра, характеризующая распределение сил водоизмещения по высоте судна, называется строевой по ватерлинии (рис.5.).
Площадь строевой по ватерлиниям также равна объемному водоизмещению судна, а ордината ее центра тяжести определяет положение центра величины судна по его высоте.
Остойчивость судна
Остойчивость — способность судна возвращаться в равновесное положение после прекращения действия сил, вызвавших его наклонение.
Наклонение судна может произойти под действием различных сил: давления ветра, давления воды на руль, перемещения груза на судне, приема или снятия части груза, натяжения буксирного троса и др.
Расчет остойчивости имеет своей целью установление условий безопасного плавания судна при действии на него перечисленных сил.
Наклонение судна может произойти в поперечной и продольной плоскостях. Остойчивость судна в поперечном направлении называется поперечной остойчивостью и в продольном направлении — продольной остойчивостью . Наклонение судна в поперечном направлении называется креном и в продольном направлении — дифферентом .
Для примера рассмотрим условия плавания судна, получившего крен или дифферент под действием каких-то внешних сил, не изменивших общего веса судна, например, сил давления ветра (рис.6.), (рис.7.). Будем считать, что все грузы на судне закреплены и на нем не имеется жидких и сыпучих грузов.
Линия пересечения диаметральной плоскости с плоскостью мидель-шпангоута 0 — 0 называется осью плавания . До наклонения судно пересекалось с поверхностью воды по линии , называемой исходной ватерлинией , а после наклонения — по линии , называемой действующей ватерлинией .
Так как вес судна и положение грузов на нем при наклонении не изменились, то центр тяжести судна g останется в той же точке, в которой он был при плавании судна в нормальном положении.
Вследствие изменения формы объема подводной части судна центр величины переместится из точки C в точку C1 .
При малых углах крена (до ) центр величины судна перемещается по дуге окружности с центром в точке m .
Точка m , являющаяся точкой пересечения линии действия силы водоизмещения D на наклоненное судно с осью плавания, называется метацентром (поперечным при крене и продольным при дифференте).
Расстояние между поперечным метацентром и центром величины называется поперечным, или малым, метацентрическим радиусом и обозначается буквой r .
Расстояние между продольным метацентром и центром величины называется продольным, или большим, метацентрическим радиусом и обозначается буквой R .
Расстояния между метацентром и центром тяжести при крене и дифференте судна соответственно называются малой и большой метацентрической высотой и обозначаются буквами h и H : , ,
где a — расстояние между центром тяжести и центром величины судна.
Сила водоизмещения D и вес судна G (рис.6.), (рис.7.) создают момент с плечом gk , который стремится вернуть судно в нормальное положение, т. е. судно будет остойчивым.
Момент сил называется восстанавливающим , а плечо — плечом остойчивости .
На (рис.8.) и (рис.9.) показаны два случая иного взаимного расположения сил D и G , действующих на накрененное судно.
Hа (рис.8.) образуется момент, который стремится опрокинуть судно даже после прекращения действия кренящих сил, т. е. судно будет неостойчивым.
На (рис.9.) силы D и G действуют по одной вертикали, и судно не способно будет вернуться в исходное положение. Оно находится в состоянии безразличного равновесия и также считается неостойчивым.
Как видно из рисунков, остойчивость судна характеризуется местоположением его метацентра.
Если метацентр расположен выше центра тяжести, судно остойчиво, ниже — неостойчиво. Если метацентр и центр тяжести находятся в одной точке, судно находится в состоянии безразличного равновесия.
Восстанавливающий момент при остойчивом положении судна определяется: .
Так как (рис.6.) и (рис.7.), то эта формула называется метацентрической формулой остойчивости при крене.
Аналогичная формула для дифферента имеет вид .
При малых углах крена и дифферента можно принять: и .
Тогда и ,
где и — углы крена и дифферента судна, рад.
Если накрененное судно находится в равновесии, то восстанавливающий момент равен кренящему моменту: , откуда или в градусной мере .
Угол дифферента судна в радианах или в градусах ,
где — дифферентирующий момент.
Определение местоположения центра тяжести, центра величины и метацентра судна
Местоположение различных точек судна рассматривается в системе координатных осей, показанных на (рис.10а.) и (рис.10б.).
За начало координатных осей принимается точка пересечения диаметральной плоскости, плоскости мидель-шпангоута и основной плоскости, проходящей параллельно конструктивной ватерлинии на глубине, равной осадке судна.
Ось X имеет направление и положительное значение от плоскости мидель-шпангоута к носу судна; ось Y — от диаметральной плоскости к правому борту судна; ось Z — от основной плоскости к палубе судна.
Координаты центра тяжести судна на основании известной из теоретической механики теоремы моментов можно вычислить по формулам: , , ,
где Pi — веса отдельных элементов корпуса и оборудования судна; Xi , Yi , Zi — координаты центров тяжести соответствующих весовых элементов судна.
Расчеты по определению координат центра тяжести судна удобно вести в табличной форме по образцу (табл. 1), которая называется весовым журналом . В этот журнал заносятся веса всех элементов самого судна и всех грузов, находящихся на нем.
Наменование нагрузок | Вес | Координаты центра тяжести | Статистические моменты | ||||
Xi | Yi | Zi | PiXi | PiYi | PiZi |