Остойчивость корабля

редактировать
Реакция корабля на возмущение из-за вертикального положения

Остойчивость корабля - это область военно-морской архитектуры и дизайн корабля, который показывает, как корабль ведет себя в море, как в неподвижной воде, так и на волнах, невредимым или поврежденным. При расчетах устойчивости основное внимание уделяется центрам тяжести, центрам плавучести, метацентрам судов и их взаимодействию.

Содержание

  • 1 История
  • 2 Дополнительные системы стабилизации
    • 2.1 Пассивные системы
      • 2.1.1 Трюмный киль
      • 2.1.2 Аутригеры
      • 2.1.3 Противоскользящие танки
      • 2.1.4 Параваны
    • 2.2 Активные системы
      • 2.2.1 Ребра стабилизатора
      • 2.2.2 Стабилизация крена руля
      • 2.2.3 Гироскопические внутренние стабилизаторы
  • 3 Расчетные условия устойчивости
    • 3.1 Остойчивость без повреждений
    • 3.2 Остойчивость при повреждениях (устойчивость в поврежденном состоянии)
  • 4 Требуемая остойчивость
  • 5 См. Также
  • 6 Ссылки

История

Модель яхты испытывается в буксирном баке Университета Ньюкасла

Остойчивость кораблей, поскольку она относится к военно-морской архитектуре, принималась во внимание на протяжении сотен лет. Исторически расчеты остойчивости судов основывались на эмпирических вычислениях, часто привязанных к определенной системе измерения. Некоторые из этих очень старых уравнений продолжают использоваться в книгах по военно-морской архитектуре. Однако появление основанных на исчислении методов определения устойчивости, в частности, введение Пьером Бугером концепции метацентра в 1740-е годы бассейн модели корабля, сделало возможным гораздо более сложный анализ.

Мастера-кораблестроители прошлого использовали систему адаптивного и вариантного проектирования. Корабли часто копировались из поколения в поколение с небольшими изменениями; путем копирования стабильных конструкций обычно удается избежать серьезных проблем. Сегодня корабли все еще используют этот процесс адаптации и изменения; однако вычислительная гидродинамика, тестирование модели корабля и лучшее общее понимание движений жидкости и корабля позволили получить гораздо больше аналитического дизайна.

Поперечные и продольные водонепроницаемые переборки были введены в конструкции броненосных между 1860 и 1880-ми годами, а переборки для предотвращения столкновений стали обязательными на британских паровых торговых судах до 1860 года. До этого пробоина в корпусе в любой части судна могла затопить всю его длину. Поперечные переборки, хотя и являются дорогостоящими, повышают вероятность выживания корабля в случае повреждения корпуса, ограничивая затопление поврежденными отсеками, которые они отделяют от неповрежденных. Продольные переборки имеют аналогичное назначение, но необходимо учитывать эффекты повреждения устойчивости, чтобы исключить чрезмерный крен. Сегодня на большинстве судов есть средства для выравнивания воды в секциях левого и правого борта (перекрестное затопление), что помогает ограничить структурные напряжения и изменения крена и / или дифферента судна.

Дополнительные системы стабилизации

Дополнительные системы устойчивости предназначены для уменьшения воздействия волн и порывов ветра. Они не повышают остойчивость судна в спокойном море. Международная морская организация Международная конвенция о грузовой марке не упоминает активные системы остойчивости как метод обеспечения остойчивости. Корпус должен быть устойчивым без активных систем.

Пассивные системы

Трюмный киль

Трюмный киль

A Трюмный киль представляет собой длинное, часто V-образное металлическое ребро, приваренное по длине судна в месте поворота. трюма. Трюмные кили используются попарно (по одному на каждый борт судна). В редких случаях судно может иметь более одного трюмного киля с каждой стороны. Трюмные кили увеличивают гидродинамическое сопротивление при крене судна, ограничивая его величину.

Аутригеры

Аутригеры могут использоваться на судах для уменьшения качения либо за счет силы, необходимой для погружения плавучих поплавков, либо за счет гидродинамических крыльев. В некоторых случаях эти аутригеры имеют достаточные размеры, чтобы классифицировать судно как тримаран ; на других судах они могут называться просто стабилизаторами.

Противовоспалительные баки

Противоскользящие баки - это внутренние баки, снабженные перегородками для замедления скорости переноса воды с левого борта на правый борт. Он сконструирован таким образом, что большее количество воды задерживается на верхней стороне судна. Он предназначен для противодействия эффекту эффекта свободной поверхности..

Параваны

Параваны могут использоваться тихоходными судами, такими как рыболовные суда, для уменьшения крена.

Активные системы

Активные системы остойчивости, встречающиеся на многих судах, требуют подачи энергии в систему в виде насосов, гидравлических поршней или электрических приводов. Они включают стабилизирующие ребра, прикрепленные к борту судна или резервуаров, в которых перекачивается жидкость, чтобы противодействовать движению судна.

Стабилизирующие ребра

Активные стабилизаторы плавников уменьшают крен, испытываемый судном во время движения или, в последнее время, в состоянии покоя. Они выходят за пределы корпуса судна ниже ватерлинии и изменяют свой угол атаки в зависимости от угла крена и скорости крена судна, действуя аналогично элеронам самолета. Круизные лайнеры и яхты часто используют этот тип системы стабилизации.

Когда киля не убираются, они представляют собой фиксированные придатки к корпусу, возможно, расширяющие балку или осадочную оболочку и требующие внимания для дополнительного зазора между корпусом.

Хотя типичный стабилизатор «активного плавника» эффективно противодействует крену судов на ходу, некоторые современные системы активных плавников могут уменьшить крен, когда суда не на ходу. Эти системы, называемые нулевой скоростью или стабилизацией в состоянии покоя, работают, перемещая специально разработанные плавники с достаточным ускорением и синхронизацией импульсов для создания эффективной энергии подавления крена.

Стабилизация крена руля

В случае, если корабль идет, быстрое изменение руля не только инициирует изменение курса, но также вызовет крен корабля. Для некоторых кораблей, таких как фрегаты, этот эффект настолько велик, что его может использовать алгоритм управления для одновременного управления кораблем и уменьшения его крена. Такая система обычно обозначается как "". Его эффективность может быть не хуже, чем у стабилизаторов. Однако это зависит от скорости корабля (чем выше, тем лучше) и различных аспектов конструкции корабля, таких как положение, размер и качество системы позиционирования руля направления (ведет себя так же быстро, как стабилизатор). Также важно, насколько быстро корабль будет реагировать на движения руля движениями крена (быстрее - лучше) и скоростью поворота (лучше медленнее). Несмотря на высокую стоимость высококачественного рулевого механизма и усиления кормы, этот вариант стабилизации обеспечивает лучшую экономичность, чем стабилизирующие стабилизаторы. Он требует меньшего количества установок, менее уязвим и вызывает меньшее сопротивление. Более того, требуемые высококачественные компоненты обеспечивают отличные характеристики рулевого управления даже в те периоды, когда уменьшение крена не требуется, и значительное снижение подводного шума. Известными военно-морскими кораблями с таким решением стабилизации являются F124 (Германия), M-fregat и LCF (оба - ВМС Нидерландов).

Гироскопические внутренние стабилизаторы

Гироскопы впервые были использованы для управления креном корабля в конце 1920-х - начале 1930-х годов для военных кораблей, а затем и для пассажирских лайнеров. Наиболее амбициозным применением больших гироскопов для управления креном корабля был итальянский пассажирский лайнер SS Conte di Savoia, на котором находились три больших Sperry. установлен в носовой части корабля. Несмотря на то, что она оказалась успешной в значительном сокращении крена при поездках в западном направлении, систему пришлось отключить на участке в восточном направлении по соображениям безопасности. Это было связано с тем, что при последующем море (и создаваемых им глубоких медленных кренах) судно имело тенденцию «зависать» с включенной системой, а создаваемая им инерция затрудняла выход судна из положения при сильных кренах.

Гироскопические стабилизаторы состоят из вращающегося маховика и гироскопической прецессии, которая создает на корпусе корпус крутящий момент, обеспечивающий выпрямление лодки. угловой момент маховика гироскопа - это мера того, до какой степени маховик будет продолжать вращаться вокруг своей оси, если на него не будет действовать внешний крутящий момент. Чем выше угловой момент, тем больше сила сопротивления гироскопа внешнему крутящему моменту (в этом случае больше способности отменять крен лодки).

Гироскоп имеет три оси: ось вращения, ось ввода и ось вывода. Ось вращения - это ось, вокруг которой вращается маховик, она вертикальна для гироскопа лодки. Входная ось - это ось, вокруг которой действуют входные крутящие моменты. Для лодки основной входной осью является продольная ось лодки, поскольку это ось, вокруг которой катится лодка. Главная выходная ось - это поперечная (поперечная) ось, вокруг которой гироскоп вращается или прецессирует в ответ на входной сигнал.

Когда лодка катится, вращение действует как входной сигнал для гироскопа, заставляя гироскоп генерировать вращение вокруг своей выходной оси, так что ось вращения вращается для совмещения с входной осью. Это выходное вращение называется прецессией, и в случае лодки гироскоп будет вращаться вперед и назад вокруг выходной оси или оси подвеса.

Угловой момент - это мера эффективности гиростабилизатора, аналогичная номинальной мощности дизельного двигателя или киловаттам генератора. В спецификациях для гиростабилизаторов ключевой величиной является полный угловой момент (момент инерции, умноженный на скорость вращения). В современных конструкциях крутящий момент выходной оси можно использовать для управления углом стабилизирующих стабилизаторов (см. Выше), чтобы противодействовать крену лодки, так что нужен только небольшой гироскоп. Идея гироскопа, управляющего стабилизаторами оперения корабля, была впервые предложена в 1932 году ученым General Electric доктором Александерсоном. Он предложил гироскоп для управления током, подаваемым на электродвигатели на стабилизаторах, с инструкциями по приведению в действие, генерируемыми тиратронными электронными лампами.

Расчетные условия устойчивости

При проектировании корпуса расчеты остойчивости выполняются для исправного и поврежденного состояния судна. Суда обычно проектируются таким образом, чтобы немного превышали требования к остойчивости (см. Ниже), так как они обычно проверяются на это классификационным обществом.

Остойчивость неповрежденного тела

Диаграмма остойчивости судна с указанием центра тяжести (G), центра плавучести (B), и метацентр (M) с кораблем в вертикальном положении и наклоненным в сторону. Пока груз корабля остается стабильным, G фиксируется. Для малых углов M также можно считать фиксированным, в то время как B движется по мере того, как корабль кренится.

Расчеты остойчивости неповрежденного тела относительно просты и включают в себя определение всех центров масс объектов на судне, которые затем вычисляются / вычисляются для идентификации центр тяжести судна и центр плавучести корпуса. Обычно учитываются расстановки и нагрузки груза, крановые операции и расчетное состояние моря. На диаграмме справа показано, что центр тяжести находится значительно выше центра плавучести, но корабль остается устойчивым. Корабль устойчив, потому что, когда он начинает крениться, одна сторона корпуса начинает подниматься из воды, а другая сторона начинает погружаться. Это заставляет центр плавучести смещаться в сторону, которая находится ниже в воде. Работа морского архитектора - следить за тем, чтобы центр плавучести смещался за пределы центра тяжести, когда корабль кренится. Линия, проведенная из центра плавучести в слегка наклоненном по вертикали состоянии, будет пересекать осевую линию в точке, называемой метацентром. Пока метацентр находится выше киля, чем центр тяжести, корабль устойчив в вертикальном положении.

Устойчивость к повреждению (устойчивость в поврежденном состоянии)

Расчет устойчивости к повреждению намного сложнее, чем устойчивость неповрежденного. Обычно используется программное обеспечение, использующее численные методы, потому что площади и объемы могут быстро стать утомительными и долгими для вычисления с использованием других методов.

Потеря устойчивости из-за затопления может быть частично связана с эффектом свободной поверхности. Вода, накапливающаяся в корпусе, обычно стекает в трюмы, опуская центр тяжести и фактически уменьшая (это должно читаться как увеличение, так как вода будет добавлять здесь вес днища за счет увеличения GM) метацентрической высоты. Это предполагает, что корабль остается неподвижным и вертикальным. Однако, как только судно наклоняется до какой-либо степени (например, на него ударяет волна), жидкость в трюме перемещается в нижнюю сторону. Это приводит к появлению списка .

Устойчивость также теряется при затоплении, когда, например, пустой резервуар заполняется морской водой. Из-за потери плавучести танка эта часть корабля немного опускается в воду. Это создает список, если резервуар не находится на средней линии судна.

При расчете остойчивости, когда резервуар наполняется, предполагается, что его содержимое потеряно и заменено морской водой. Если это содержимое легче морской воды (например, легкая нефть), тогда плавучесть теряется, и секция соответственно немного опускается в воде.

Для торговых судов и все чаще для пассажирских судов расчеты остойчивости при повреждении имеют вероятностный характер. То есть, вместо того, чтобы оценивать судно на предмет отказа одного отсека, также будет оцениваться ситуация, когда два или даже до трех отсеков затоплены. Это концепция, в которой вероятность повреждения отсека сочетается с последствиями для корабля, в результате чего получается индекс устойчивости к повреждению, который должен соответствовать определенным правилам.

Требуемая стабильность

Для того, чтобы быть приемлемым для классификационных обществ, таких как Bureau Veritas, Американское бюро судоходства, Судовой регистр Ллойда, Корейский судовой регистр и Det Norske Veritas, чертежи судна должны быть предоставлены классификационному обществу для независимой проверки. Также должны быть предоставлены расчеты в соответствии со структурой, изложенной в правилах для страны, в которой судно намеревается быть под флагом.

В этих рамках разные страны устанавливают требования, которым необходимо соответствовать. Для судов под флагом США чертежи и расчеты остойчивости проверяются на соответствие Кодексу федеральных правил США и Международной конвенции по охране человеческой жизни на море конвенциям (SOLAS). Суда должны быть устойчивы в тех условиях, для которых они предназначены, как в неповрежденном, так и в поврежденном состоянии. Степень ущерба, необходимого для проектирования, указывается в правилах. Предполагаемая дыра рассчитывается как доли длины и ширины судна и должна быть размещена в той области судна, где она может нанести наибольший ущерб устойчивости судна.

Кроме того, правила береговой охраны США применяются к судам, работающим в портах США и в водах США. Обычно эти правила береговой охраны касаются минимальной метацентрической высоты или минимального восстанавливающего момента. Поскольку в разных странах могут быть разные требования к минимальной метацентрической высоте, большинство судов теперь оснащено компьютерами остойчивости, которые вычисляют это расстояние на лету на основе груза или загрузки экипажа. Для этой задачи используется множество коммерчески доступных компьютерных программ.

См. Также

Ссылки

  1. ^От воина до дредноута от DK Brown, Chatham Publishing (июнь 1997 г.)
  2. ^«Итальянский лайнер для защиты от волн» Popular Mechanics, апрель 1931 г.
  3. ^«Ребра, предназначенные для больших лайнеров для предотвращения качения» Popular Mechanics, август 1932 г.
Последняя правка сделана 2021-06-08 05:48:34
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте