Способы расчета остойчивости судна

Остойчивость судов и лодок — расчет и диаграмма

Остойчивость судов, лодок, катамаранов или яхт — это свойство, позволяющее плавсредству регулировать равновесие и противостоять воздействующим на него внешним факторам, которые могут вызвать крен или дифферент. Под понятием равновесие принимается положение плавсредства, имеющее допустимую величину углов дифферента и крена.

Отклоненное от такого положения плавучее средство должно самостоятельно возвращаться к сбалансированному равновесию. Иными словами остойчивость отвечает за балансирование судов на водной поверхности и проявляется когда оно выходит из изначального равновесия.

Остойчивость – одно из ключевых качеств судна, помогающее ему бороться с сильным ветром, волнами, штормом и иными внешними воздействиями. Каждое судно обладает своим запасом остойчивости (зависит от водоизмещения), уберегающим его от опрокидывания.

Виды и критерии остойчивости судна

В зависимости от плоскости наклонения различают два вида остойчивости судна: поперечная отвечает за балансирование при крене, продольная – при дифференте. Большинство морских судов имеют удлиненную форму своего корпуса, следовательно, они наиболее уязвимы при крене, нежели при дифференте.

По этой причине при постройке морского судна уделяется особое внимание именно его поперечной остойчивости. К продольному виду особых требований нет, так как удлиненные суда практически невозможно перевернуть через нос или корму.

По характеру воздействующих на судно сил бывает динамическая и статическая остойчивость, различие в которых зависит от воздействующих внешних факторов и определяется по следующим критериям:

• Статическая – рассматривается, когда воздействуют статические силы (их величина не меняется).
• Динамическая – при динамическом воздействии. Например, ветер с порывами разной величины, различной высоты волны.

По наклонению остойчивость разделяют на остойчивость на больших углах наклона и начальную остойчивость (на малых углах).

Расчет остойчивости судна

На плавучее средство оказывают воздействие 2 силы: вес самого плавсредства – точка его приложения именуется центром тяжести (ЦТ) и воздействие воды – точка приложения именуется центром величины (ЦВ). Когда судно (лодка, катамаран, яхта) находится в выровненном положении, вышеуказанные силы располагаются на одной вертикальной линии и совпадают с диаметральной плоскостью (ДП).

Допустим, что внешняя сила накренила плавсредство, тогда по причине увеличения подводного объема одного борта и уменьшения его у другого центр величины перемещается в сторону накрененного борта.

Сила поддержания в точке М (обозначение метацентра) пересекает ДП. Указанная точка является своеобразным рычагом, при нажатии на который плавсредство наклоняется на угол θ. Длина данного рычага представляет собой отрезок от ЦТ до М, обозначается она h и называется высотой метацентра.

Пример диаграммы устойчивости для катамарана и плота:

Плечо остойчивости рассчитывается по формуле I = h Sinθ, где h – это величина нормируемая. Для расчета нормируемой величины применяется формула h = rМ + ZC — ZG. Обозначение приведенных в формуле величин:

• ZC — высота ЦВ над основной плоскостью (ОП);
• ZG — высота ЦТ над основной плоскостью;
• rМ — высота М над центром величины — метацентрический радиус, характеризующий влияние ватерлинии на общую остойчивость плавучего средства.

После постройки корабля или маломерного судна величина h подвергается экспериментальному тестированию, для которого используется опыт кренования. На корабле, который не имеет крена, в сторону одного из бортов двигают определенный груз P на расстояние b.

Таким образом искусственно создается момент крена МКР. Корабль приходит в положение, при котором МКР = МВОССТ, приобретая некоторый угол крена θ. Здесь величина h рассчитывается по следующей формуле: h = Pb/(Dθ). А угол крена измеряется отвесом или кренометром.

Безусловно, остойчивость следует увеличивать любыми средствами, потому что это поможет уменьшить угол крена и повысить плавучесть и непотопляемость судна. В некоторых случаях бывает опасение, что если у плавучего средства завышена остойчивость, то его раскачивание станет порывистым, потому что плавсредство «настроено» на внешне воздействие коротких волн.

Суда, имеющие небольшое водоизмещение и низкую посадку, часто подвергаются сильному раскачиванию при малом волнении водной поверхности, но это вовсе не означает, что они могут не выдержать штормового ветра и перевернуться. Стандарты ГИМС определяют, что величина плеча остойчивости любых вариантов нагрузки (кроме пустых судов), должна быть больше 0.5 м.

Действия человека, который управляет плавучим средством в аварийной ситуации – это отдельно изучаемая тема. Для подробного ознакомления с ней судоводителям-любителям следует почерпнуть информацию об остойчивости в специализированной профессиональной литературе, в которой разбираются случаи, связанные с аварийной остойчивостью при посадке судна на мель или получении им пробоины, в результате которой плавсредство может заполняться водой.

Надеемся, теперь вы знаете такое понятие как остойчивость судна и примерно представляете как её рассчитывать.

Если у вас есть вопросы — задайте их в комментариях. Ну а в следующей статье Вы узнаете, как пользоваться лазерным дальномером.

Источник

Расчёт остойчивости судна

Способность судна противостоять действию внешних сил. Стремящихся наклонить его в поперечном и продольном направлениях, и возвращаться в прямое положение после прекращения их действия называется остойчивостью. Наиболее важной для любого судна является его поперечная остойчивость, поскольку точка приложения сил. противодействующих крену, располагается в пределах ширины корпуса, которая в 2.5—5 раз меньше его длины.

Начальная остойчивость (на малых углах крена).Когда судно плавает без крена, то силы тяжести Б и плавучести у V. приложенные соответственно в ЦТ и ЦВ. действуют по одной вертикали. Если при крене на угол 9 экипаж либо другие составляющие весовой нагрузки не перемещаются, то при любом наклоне ЦТ, сохраняет свое первоначальное положение в ДП, вращаясь вместе с судном (рис 4.1.1). В то же время вследствие изменившейся формы подводной части корпуса ЦВ перемещается из точки С₀ в сторону накрененного борта до положения С1. Благодаря этому возникает момент пары сил Б и у V с плечом l. равным горизонтальному расстоянию между ЦТ и новым ЦВ судна. Этот момент стремится возвратить судно в прямое положение и потому называется восстанавливающим моментом.

Рис. 4.1.1 Диаграмма остойчивости.

Угол крена, при котором плечо остойчивости достигает максимума Qm, должен быть не менее 30°, т.е.

Угол заката диаграммы статической остойчивости Qv должен быть не менее 60°

Напольная метацентрическая высота h при всех вариантах нагрузки, за исключением судна порожнем, должна быть положительной h > 0.

Конкретное минимальное значение h для различных типов судов и для соответствующих условий плавания установлено Правилами Регистра (РМРС) и указывается в дополнительных рекомендациях.

Критерий ускорения К*, т. е. отношение допустимой величины ускорения а к расчетной aрасч в долях от g, должен быть не менее единицы

Кроме основных критериев остойчивости, показанных выше, Кодексом безопасной практики перевозки твердых навалочных грузов, Конвенцией COJIAC-74 Правилами Регистра статической остойчивости и угла заливания при наихудших условиях плавания.

В теории остойчивости различают статическую остойчивость при медленных наклонениях, когда силами инерции и сопротивления воды можно пренебречь, и динамическую остойчивость при быстрых наклонениях, когда необходимо учитывать действие сил инерции и сопротивления воды.

Основная плоскость — плоскость, проходящая через верхнюю кромку плоского киля и параллельная грузовой ватерлинии. В ней располагаются оси X и К и от нее отсчитываются аппликаты Z.

Условная плоскость- плоскость, относительно которой построена диаграмма статических моментов. Применяется для увеличения кривых и, следовательно, для удобства пользования графикам. Полюс вращения судна Р при наклонении на различные углы крена выбирается проектной организацией в зависимости от способа расчета пантокарен — интерполяционных кривых плеч остойчивости формы.

Центр тяжести судна G — точка приложения равнодействующей сил веса.

Центр величины С — точка приложения равнодействующей сил поддержания или цептр тяжести подводного объема судна. При отсутствии крена в состоянии равновесия расположена на одной вертикали с центром тяжести судна.

Метацентр кривизны траектории перемещения С крене. Располагается на пересечении нормалей из двух любых точек траектории перемещения центра величины. На очень малых углах крепа находится в диаметральной плоскости судна. Бывает малым (поперечным) и большим (продольным).

Метацентрический радиус г, R (поперечный, продольный)-радиус кривизны траектории центра величины. Его величинаопределяется из выражения

где V-объемное водоизмещение;

Ix момент инерции площади действующей ватерлинии относительно оси X

Метацентрическая высота h, Н (поперечная, продольная)- расстояние от метацентра m до центра тяжести судна.

Основные величины, используемые в расчётах остойчивости.

D_B — сила тяжести судна;

F_n — сила поддержания (плавучести);

Z_c — возвышение ЦВ над килем;

a — возвышение ЦТ над ЦВ;

Z_g — возвышение ЦТ над килем ;

R — метацентрический радиус (расстояние между МЦ и ЦВ);

Z_m — возвышение МЦ над килем;

h — поперечная метацентрическая высота;

l — плечо статической остойчивости;

M_kp — кренящий момент;

M_B — восстанавливающий момент.

Метацентр (мц) – точка пересечения линии действия поддерживающей силы F_n с ДП судна.

Согласно порядку составления грузового после определение общего количество груза и распределения его по трюмам проводим проверку нашего варианта загрузки на предмет остойчивости, а именно поперечной остойчивости и определения его главного элемента – метацентрическая высота (h).

Для проверки поперечной остойчивости проведём следующий порядок расчётов.

Источник

Порядок расчета остойчивости морского судна.

Существуют понятия остойчивости следующих видов: статической и динамической, при малых наклонениях судна и при больших наклонениях.

Статическая остойчивость –остойчивость судна при постепенном , плавном наклонении судна, когда силами инерции и сопротивления воды можно пренебречь.

Законы начальной остойчивости сохраняют свою справедливость только до определенного угла крена. Величина этого угла зависит от типа судна и состояния его нагрузки. У судов с малой начальной остойчивостью( пассажирские и лесовозы) предельный угол крена составляет 10-12 градусов, у танкеров и сухогрузных до 25-30 градусов. Расположение ЦТ (центра тяжести ) и ЦВ (центра величины)-являются основными факторами влияющими на остойчивость при крене судна.

Основные элементы остойчивости: водоизмещение ∆ , плечо восстанавливающего момента (плечо статической остойчивости)- lcт , начальный метацентрический радиус- r ,

поперечная метацентрическая высота- h ,угол крена- Ơ , Момент восстанавливающий- Мв

Момент кренящий- Мкр, коэффициент остойчивости -К, возвышение центра тяжести Zg,

возвышение центра величины -Zc, Критерий погоды-K, ДСО (диаграмма статической остойчивости), ДДО (диаграмма динамической остойчивости).

ДСО –дает полную характеристику остойчивости судна : поперечную метацентрическую высоту, плечо статической остойчивости, предельный угол ДСО, угол заката ДСО.

ДСО позволяет решать следующие задачи:

• величина кренящего момента от смещения груза и опрокидывающего момента;
• создание необходимого обнажения борта для ремонта корпуса, забортной арматуры;
• определение наибольшей величины статически приложенного кренящего момента, который может выдержать судно не опрокидываясь, и крена, который оно при этом получит;
• определение угла крена судна от мгновенно приложенного кренящего момента при отсутствии начального крена;
• определение угла крена от внезапно приложенного кренящего момента при наличии начального крена по направлению действия кренящего момента;
• определение угла крена от внезапно приложенного кренящего момента при наличии начального крена в направлении, противоположном действию кренящего момента.
• Определение угла крена при перемещении груза по палубе;
• Определение статического опрокидывающего момента и угла статического опрокидывания;
• Определение динамического опрокидывающего момента и угла динамического опрокидывания;
• Определение необходимого кренящего момента для спрямления судна;
• Определение веса груза при перемещении которого судно потеряет остойчивость;
• Что сделать для улучшения остойчивости судна.

Нормировании остойчивости по требованию Регистра судоходства России и Украины:

1. максимальное плечо статической остойчивости ДСО более или = 0,25 м. при максимальной длине судна менее или = 80 м. и более или =0,20 м. при длине судна более или = 105 м. ;
2. угол максимума диаграммы более или = 30 градусов;
3. угол заката ДСО более или = 60 град. и 55 град., при учете обледенения

4. критерий погоды – К более или =1, а при плавании в Северной Атлантике-1.5

5. исправленная поперечная метацентрическая высота для всех вариантов загрузки

должна быть всегда положительной, а для рыболовных судов не менее-0,05 м.

Характеристики бортовой качки судна зависят от метацентрической высоты. Чем больше метацентрическая высота тем качка более резкая, интенсивная, что отрицательно влияет на крепление груза и его целостность, а в целом на безопасность всего судна.

Ориентировочно значение оптимальной метацентрической высоты для различных судов в метрах :

• грузопассажирские большого тоннажа 0,0-1,2 м., среднего тоннажа 0,6-0,8 м.
• сухогрузные большого тоннажа 0,3—1,5м., среднего тоннажа 0,3-1,0 м.
• большие танкеры 1.5-2.5 м.

Для сухогрузных судов среднего тоннажа на основании натурных наблюдений определены четыре зоны остойчивости:

А- зона валкости или недостаточной остойчивости-h|B =0.0-0.02 –при поворотах таких судов на полном ходу возникает крен до 15-18 град.

Б- зона оптимальной остойчивости h|B= ).02-0.05 – на волнении суда испытывают плавную качку, условия обитаемости для экипажа хорошие, поперечные инерционные силы не превышают 10% силы тяжести палубного груза.

В- зона дискомфорта или повышенной остойчивости h|B=0.05-0.10-резкая качка, условия работы и отдыха экипажа плохие, поперечные инерционные силы достигают 15-20 % силы тяжести палубного груза.

Г-зона чрезмерной остойчивости или разрушения h|B более 0.10-поперечные инерционные силы на качке могут достигнуть 50% силы тяжести палубного груза, при этом крепление груза нарушается, разрушаются палубные детали такелажа (рымы, обушки), фальшборт судна, что влечет к потери груза и гибели судна.

В Информации об остойчивости судна обычно даются полные расчеты остойчивости без обледенения:

• 100% судовых запасов без груза
• 50% судовых запасов и 50% груза, из них может быть палубный груз
• 50% запасов и 100% груза
• 25% судовых запасов, без груза, груз на палубе
• 10% судовых запасов, 95 % груза.

С учетом обледенения- то же + с балластом в танках.

Кроме расчета остойчивости для типовых случаев нагрузки с обледенением и без обледенения Информация об остойчивости позволяет вести полный расчет остойчивости судна для нетиповых случаев нагрузки. При этом необходимо:

• Иметь точную картину расположения груза по грузовым помещениям в тоннах;
• Данные в тоннах по танкам судовых запасов: тяжелое топливо, дизтопливо, масло, вода;
• Составить таблицу весов по данной загрузке судна, рассчитать моменты ЦТ судна

относительно вертикальной и горизонтальной оси и аппликаты по вертикали и горизонтали-

• Рассчитать суммы весов (общее водоизмещение судна),значение продольного момента ЦТ судна ( с учетом знаков + и -), вертикального статического момента
• Определить аппликату и абсциссу ЦТ судна, как соответствующие моменты деленные на настоящее полное водоизмещение судна в тоннах
• По количеству запасов в % и груза в % по справочным таблицам (предельной кривой) грубо оценить остойчиво судно или нет и есть ли необходимость принимать в судовые междудонные танки дополнительно балласт забортной воды.
• Определить посадку судна по кривым дифферента ( см. таблицы в Информации об остойчивости )
• Определить начальную поперечную метацентрическую высоту , как разницу между аппликатой центра величины — и аппликатой центра тяжести, выбрать из таблиц ( приложение Информации об остойчивости – далее «Информация» ) поправку на свободную поверхность к поперечной метацентрической величине- определить исправленную поперечную метацентрическую величину.
• С рассчитанными значениями водоизмещения судна для данного рейса и исправленной метацентрической высотой войти в диаграмму плеч кривых статической остойчивости (прилагается в «Информации») и через 10 градусов построить ДСО плеч статической остойчивости от угла крена при данном водоизмещении (диаграмма Рида)
• С диаграммы ДСО снять все основные данные по требованиям Регистра судоходства Украины, России.
• Определить величину условной расчетной амплитуды бортовой качки для данного случая загрузки, пользуясь рекомендациями в справочных данных.Увеличить эту амплитуду на 2-5 градусов за счет давления ветра ( берется в расчет давление ветра силой 6-7 баллов). С учетом всех действующих факторов одновременно эта амплитуда может достигать значений-15-50 градусов.
• Продолжить ДСО в сторону отрицательных значений абсциссы и отложить влево от нуля координат величину расчетной амплитуды качки, затем восстановить из точки на отрицательном значении оси абсцисс перпендикуляр. На глаз провести горизонтальную линию параллельную оси абсцисс так. Чтобы площадь слева от оси абсцисс и справа на ДСО были равны. (см. пример)-определяем плечо опрокидывающего момента.
• Снять с ДСО при этом плечо опрокидывающего момента и рассчитываем опрокидывающий момент, как произведение водоизмещения и плеча опрокидывающего момента.
• По величине средней осадки (рассчитаны ранее) выбрать значение кренящего момента из дополнительных таблиц (Информации)
• Рассчитать критерий погоды –К, если он удовлетворяет требованиям Регистра — судоходства Украины, включая все остальные 4 критерия , то расчет остойчивости на этом заканчивается, но по требования Кодекса остойчивости судов всех типов ИМО от -1999 года, требуется дополнительно иметь еще два критерия остойчивости , которые можно определить только из ДДО (диаграммы динамической остойчивости).При плавании судна в условиях обледенения, рассчитать критерий погоды для этих условий.
• Построение ДДО – диаграммы динамической остойчивости проще выполнить на основании диаграммы ДСО, пользуясь схемой табл. 8 (стр. 61- Л.Р.Аксютин «Грузовой план судна»-Одесса-1999 г.или стр.22-24 «Контроль остойчивости морских судов»-Одесса-2003 г.)-для расчета плеч динамической остойчивости. Если по диаграмме предельных моментов в Информации об остойчивости –судно остойчиво по нашим расчетам, то проводить расчет ДДО- не обязательно.

По требованиям Кодекса остойчивости ИМО-1999 г.(Резолюция ИМО А.749 (18) от июня 1999 года)

· минимальная поперечная метацентрическая высота GM_o-0.15 м. для пассажирских судов, а для рыболовных- более или равно 0,35 ;

· плечо статической остойчивости не менее- 0.20 м.;

· мамксимум ДСО при максимальном плече статической остойчивости- более или равно 25 градусов;

· плечо динамической остойчивости при угле крена более или плюс 30 град –не менее -0.055 m-rad.; (метра)

· плечо динамической остойчивости при 40 градусов (или угле заливания) не менее- 0.09 m-rad.;(метра)

· разность плеч динамической остойчивости при 30 и 40 градусов –не менее 0.03 m-rad.(метра)

· критерий погоды более или = единице (1)-для судов более или = 24 м.

· дополнительный угол крена от действия постоянного ветра для пассажирских судов не более 10 градусов, для всех остальных судов не более 16 градусов или 80% от угла, при котором кромка палубы входит в воду, в зависимости от того какой угол минимальный.

15 июня 1999 года Комитет безопасности мореплавания ИМО выпустил циркуляр 920-Руководство по загрузки и остойчивости ( Model loading and stability Manual), который рекомендует всем государствам, имеющим флот, обеспечивать все суда специальным Руководством по расчету загрузки и остойчивости судна, в котором дать виды оптимальной загрузки и расчеты остойчивости судна, привести все символы и сокращении приводимые при этом., как проводить контроль остойчивости, посадки судна и его продольной прочности. В данном Руководстве приводятся все сокращения и единицы измерения при вышеупомянутых расчетах, таблицы расчета остойчивости и изгибающих моментов.

В море проверка поперечной метацентрической высоты судна ведется по приближенной формуле учитывающей ширину судна-В(м), период качки- То(сек) и С- коэффициент от 0.6- до 0,88 в зависимости от типа судна и его загрузки-h= (CB/To) 2 c точностью 85-90 % .(h-м).

Для выполнения РГЗ по предмету «Перевозка особорежимных и опасных грузов» можно воспользоваться методичкой автора «Расчет грузового плана судна» издания СевНТУ.

Конкретное задание для расчета грузового плана получить у преподавателя. Оригинал

Информации об остойчивости судна находится у преподавателя. Для выполнения расчетов

по данному судну необходимо студенту сделать копии расчетных таблиц и графиков из «Информации». Использование других «Информаций об остойчивости судна» во время морской производственной практики для своего, конкретного судна и перевозимого груза допускается к защите РГЗ.

Источник