.

Вы здесь

Ледовая прочность

Ледовая прочность

28.06.2015 Автор: 30

§ 7 Ледовая прочность

Под ледовой прочностью понимают свойство корпусных конструкций сохранять местную прочность (т. е. не получать повреждений) под действием ледовых нагрузок, возникающих при движении ледокола во льдах и во время ледовых сжатий. Ледовая прочность судна определяется его размерами, формой обводов, материалом и конструкцией корпуса, скоростью хода, а также толщиной и физико-механическими характеристиками ледяного покрова.

Ледовые нагрузки, действующие на корпус ледокола при работе во льдах, значительно выше местных нагрузок у других типов судов. Природа ледовых нагрузок: удары о лед вовремя работы ледокола набегами или при непрерывном ходе во льду, статическое давление при сжатии льдов. Наибольшие динамические нагрузки в носовой оконечности возникают при ударах о лед. Кормовая оконечность подвергается значительным динамическим нагрузкам во время реверсов и при работе задним ходом. Ударные ледовые нагрузки имеют локальный характер и приложены главным образом в районе действующей ватерлинии. При ледовом сжатии давление льда на корпус распределяется на значительном по длине корпуса участке.

Определение величины расчетных ледовых нагрузок, действующих на наружную обшивку и набор, является первым этапом при проектировании и расчете корпусных конструкций ледокола.

Канадские судостроители исходят из предположения, что ледовая нагрузка распределена по поясу высотой 0,9 м, причем она приложена самым неблагоприятным образом — в районе между грузовой ватерлинией и ватерлинией, соответствующей половине осадки. Для судов, толщина наружной обшивки которых меньше 25,4 мм, а шпация — более 508 мм, ледовая нагрузка

считается приложенной непосредственно у ватерлинии. Я. Э. Янссон [41] считает это предположение приемлемым для ледоколов, работающих в средних широтах.

Американские специалисты при проектировании и постройке ледоколов типа Уинд ориентировались на ледовую нагрузку интенсивностью 210 кгс/см2, распределенную вдоль ватерлинии по узкому поясу. Ширина этого пояса принималась такой, чтобы суммарное усилие, создаваемое давлением льда, было достаточным для выжимания корпуса ледокола при сжатии. Такая расчетная схема приводит к завышению площади приложения ледовой нагрузки в несколько раз и тем самым — к занижению действующих нагрузок и напряжений. Кроме того, не учитывается, что нагрузки в оконечностях, возникающие при ударах о лед, могут значительно превосходить нагрузки от сжатия корпуса льдом. Недостаточно учитываются основные факторы, от которых зависит величина ледовой нагрузки: форма обводов корпуса, скорость хода судна во льдах, толщина и прочность льда.

При постройке в Финляндии ледоколов типа Москва финские судостроители использовали рекомендации советских специалистов. Бортовая обшивка этих ледоколов рассчитывалась на давление льда, равное 100 кгс/см2 — в носовой оконечности, 50 кгс/см2 — в средней части и 75 кгс/см2 — в кормовой оконечности. Интенсивность ледовой нагрузки на шпангоуты и бортовые стрингеры, принятая при расчете корпусных конструкций, указана в табл. 4 [41]. Опыт проектирования корпусных конструкций ледоколов типа Москва оказался удачным: в течение многолетней эксплуатации их корпусные конструкции (за исключением днищевых) не имели существенных ледовых повреждений.

В СССР Д. Е. Хейсиным и Ю. Н. Поповым разработан и получил признание метод определения ледовых нагрузок [20], который достаточно полно отражает физическую картину работы ледокола во льдах. При обосновании этого метода ледяной покров рассматривался как изотропная пластина, лежащая на упругом основании (вода). Лед считался вполне упругим материалом, а его упругие постоянные и значения пределов прочности принимались по данным натурных экспериментов. При определении ударных нагрузок условно принималась заданная конфигурация кромок льдины. С целью уточнения полученных решений расчетные ледовые нагрузки сопоставлялись с фактической прочностью плавающих судов. При этом учитывались сведения о ледовых повреждениях и данные опыта эксплуатации ледоколов в Арктике и в замерзающих неарктических морях.

Разработанный на этой основе расчетный метод пригоден для ледоколов всех классов. Он позволяет при определении ледовых нагрузок, которые в оконечностях назначаются исходя из условий удара о лед, а в средней части корпуса — из условий статического сжатия ледяными полями, учесть размерения ледокола, форму его корпуса и скорость хода, а также ледовые условия, в которых он плавает. Ниже приводятся основные зависимости указанного метода.

Нагрузки на бортовой набор. Величина ледовой нагрузки зависит от конфигурации кромки льдины в районе контакта с бортом. Как показывает анализ, кромка, очерченная по дуге окружности (если принимать величину радиуса в пределах от 10 до 40 м), приводит к распределению и величинам ледовых нагрузок, хорошо согласующимся с данными натурных испытаний и опыта эксплуатации судов во льдах. Ледовая нагрузка в тс/м, действующая на носовую оконечность ледокола,

Для удобства выполнения расчетов формулу (10) можно представить в виде

Коэффициенты kA, kб, kv и определяют по графикам рис. 44—47. Значения углов (альфа) и (бета) снимают на уровне конструктивной ватерлинии.

Ледовые нагрузки для бортового набора в средней части корпуса определяются исходя из условий статического сжатия ледокола льдами. В качестве расчетных нагрузок, действующих на корпус судна при сжатии, принимаются предельные нагрузки, разрушающие лед заданной толщины. Наблюдения показывают, что у борта ледокола разрушение ледяного покрова при сжатии происходит в основном от изгиба, что объясняется значительным наклоном борта к вертикали. С учетом сказанного случаи сжатия ледоколов, имеющих в средней части «наклонный» (бета > 8°) или «вертикальный» (бета < 8°) борт, рассматриваются отдельно.

Расчетная нагрузка в mc/м для ледоколов с «наклонным» бортом

Величина коэффициента k = 0,7 была назначена исходя из условия удара кормой о лед со скоростью 4—5 уз. Нагрузка при этом должна быть не менее чем на 30% выше нагрузки в средней части ледокола. Протяженность района усиления кормовой оконечности должна составлять около 20% от длины судна, считая от кормового перпендикуляра.

Нагрузка на наружную (бортовую) обшивку. Анализ взаимодействия корпуса со льдом показывает, что контактные давления, развивающиеся при раздроблении кромки льда, зависят от массы ледокола, формы его обводов, скорости, а также от физико-механических характеристик льда. Ввиду того что некоторые характеристики ледяного покрова недостаточно изучены, строгое определение расчетной величины контактных давлений представляется затруднительным, и при назначении ледовых нагрузок на обшивку используют метод пересчета с прототипа.

При этом исходят из предположения, что ледовая нагрузка распределена по наружной обшивке, причем зона распределения имеет вид пятна, вытянутого вдоль судна на несколько шпаций. Это дает основание полагать, что на рассматриваемом участке борта интенсивность расчетной нагрузки на бортовую обшивку р пропорциональна интенсивности расчетной нагрузки на бортовой набор q, т. е. р/р0 = q/q0, где обозначения без индекса относятся к рассматриваемому ледоколу, а с индексом 0 — к судну-прототипу.

Расчетная нагрузка в тс/м в средней части корпуса ледоколов с «вертикальным» бортом определяется формулой

где kB — коэффициент, равный 62 — для соленого льда и 73 — для пресного; h — расчетная толщина льда при сжатии, м. Ледовые нагрузки, действующие на кормовую оконечность, определяются из условия удара ледокола о лед при движении задним ходом или при навале кормы на кромку льда при рыскании. Корма находится в более легких условиях, чем носовая оконечность. Кроме того, форма кормы ледоколов весьма благоприятна для восприятия ледовых усилий ввиду большего наклона борта в корме. В силу этого величина ледовых нагрузок в кормовой оконечности назначается в долях от максимальной нагрузки, действующей на носовую оконечность:

Для судов, близких к прототипу, можно считать, что условия их эксплуатации во льдах сходны. Следовательно, параметры, характеризующие физико-механические свойства льда, конфигурацию кромки льдины, а также скорость движения во льдах, будут одинаковыми для обоих ледоколов:

Предполагается также, что интенсивность ледовых усилий, действующих на обшивку, зависит от формы корпуса лишь в той мере, в какой она влияет на силу удара, т. е. на приведенную массу судна и его приведенную скорость, и практически не зависит от геометрии смятия кромки льда. Выражение для интенсивности ледовой нагрузки на обшивку при ударе о плавающую льдину запишется в виде

где рн — интенсивность ледовой нагрузки на обшивку в носовой оконечности; М1 — масса ледокола; М2 — масса льдины.

В случае удара о большое ледяное поле (M1/M2 -> 0) формула (15) упрощается:

Отношение водоизмещении ледокола и близкого ему прототипа примерно равно отношению кубов их длин. Учитывая это обстоятельство и равенство V = V0, формулу (16) можно записать следующим образом:

Интенсивность ледовой нагрузки в средней части корпуса, определенная из условий сжатия судна во льдах,

где обозначения с нулевым индексом относятся к судну-прототипу. Если взять в качестве прототипа мощный ледокол со строительной прочностью бортовой обшивки (рс)0 = 520 тс/м2, то предельную толщину льда, давление которого выдерживает этот ледокол, можно принять равной 4 ж, а пределы прочности льда на смятие (бс)0 = 250 тс/м2 и на изгиб (бр)0 = 125 тс/м2. С учетом сказанного формула (18) преобразуется:

Если прочностные характеристики льда при переходе от прототипа к проектируемому ледоколу не изменяются, т. е. если

Интенсивность ледовой нагрузки на обшивку в кормовой оконечности рк назначается по формуле

где k' — численный коэффициент, равный 0,7.

Нагрузка рк должна быть не менее чем на 30% выше нагрузки в средней части. Протяженность района усиления обшивки в кормовой оконечности следует принимать равной 20% от длины судна.

При движении судов во льдах помимо «прямых» ударов наблюдаются также «отраженные» удары, когда судно, ударившись бортом о лед, резко отклоняется в противоположную сторону и ударяется о лед другим бортом. Проекция скорости на нормаль к борту при втором ударе больше, чем при первом. Соответственно возрастают и контактные усилия, что приводит иногда к серьезным повреждениям. В результате этого в ряде случаев отмечались значительные деформации бортовой обшивки и набора, например на ледоколе Ермак во время его первого арктического плавания, а также на некоторых транспортных судах ледовых категорий.

Ледовые нагрузки в носовой оконечности с учетом отраженного удара будут больше, чем приведенные выше [см. формулы (10), (11), (17)], и определятся следующим образом:

ляют на отдельных участках, исходя из конструктивных соображений (например, учитывая расположение переборок). 

Теоретические кривые нагрузок на обшивку и набор носовой оконечности спрямляют таким образом, чтобы число участков не превышало двух—трех. Значения интенсивности ледовой нагрузки спрямленных эпюр являются расчетными для бортового набора и обшивки ледового пояса.

Нагрузки на палубы и поперечные переборки. Расчетные нагрузки на палубы и поперечные переборки назначаются исходя из расчетных нагрузок на бортовой набор. Формулы для определения этих нагрузок приведены в § 21 и 22, где рассматриваются прочность и конструкция ледовых палуб (платформ) и поперечных переборок.

Нагрузки на штевни. Подробный теоретический анализ удара судна форштевнем о лед и определение возникающих при этом нагрузок проведены в работе [33].

Ледовая прочность ледокола обеспечивается, однако, не только назначением ледовых нагрузок и выбором соответствующего материала и конструкции его корпуса, но также выполнением целого ряда эксплуатационных требований. Главнейшим из этих требований является соблюдение некоторой «допустимой» скорости движения во льдах, превышение которой может привести к ледовым повреждениям корпуса. Допустимая скорость движения в конкретных ледовых условиях определяется мощностью энергетической установки и прочностью корпуса ледокола, воспринимающего ледовые нагрузки. Для практического определения безопасной возможной скорости движения надо иметь кривые ледовой и предельной прочности. Кривую ледовой прочности рассчитывают по методике, изложенной выше. Она соответствует скорости движения, при которой напряжения, возникающие в корпусных конструкциях во время взаимодействия корпуса со льдом, равны пределу текучести материала. Кривая предельной прочности определяется на основании расчета конструкций в упруго-пластической зоне и соответствует скорости движения ледокола, при которой несущая способность его конструкций считается исчерпанной. С помощью этих кривых, построенных в координатах V — h и нанесенных на график ледовой ходкости (см. § 11), можно определять безопасную скорость движения ледокола в заданных конкретных и прогнозируемых ледовых условиях при различных режимах работы энергетической установки.

Boatportal.ru

logo