Kadłub statku jest najbardziej znaczącą jednostką konstrukcyjną statku. Aby zdefiniować kadłub, można powiedzieć, że jest on wodoszczelną obudową statku, która chroni ładunek, maszyny i pomieszczenia mieszkalne statku przed warunkami atmosferycznymi, zalaniem i uszkodzeniami konstrukcji. Ale to samo nie wystarcza naszym wymaganiom zrozumienia wszystkich aspektów kadłuba statku.
W tym artykule zobaczymy, jak kadłub statku jest zaprojektowany dla różnych czynników branych pod uwagę podczas całego okresu eksploatacji statku, i jak projekt kadłuba statku odgrywa najważniejszą rolę w całym projekcie projektowania statku i budowy statku.
Nomenklatura związana z kadłubem
Rysunek 1: Nomenklatura kadłuba.
Powyższy rysunek przedstawia schematyczny profil konwencjonalnego kadłuba statku. Zrozumienie znaczenia i zastosowania nomenklatury z nim związanej stanowi podstawę zrozumienia projektowania statków i technologii budowy okrętów.
Bow and Stern: Najbardziej wysunięty do przodu kontur kadłuba statku nazywany jest dziobem, a najbardziej wysunięty do tyłu – rufą. Trzon jest najbardziej wysuniętą do przodu częścią dziobu.
Forward Perpendicular: Jeśli linia prostopadła jest rysowana w punkcie, w którym dziób przecina linię wodną, ta wyimaginowana linia prostopadła jest nazywana prostopadłą do przodu. Dla większości obliczeń hydrostatycznych prostopadła dziobowa jest używana jako odniesienie kadłuba do przodu.
Prostopadła rufowa: W zależności od konstruktora, prostopadła rufowa może być prostopadłą wykreśloną przez rufową stronę słupka steru lub przez linię środkową trzpieni steru. Prostopadła rufowa jest rufową linią odniesienia dla wszystkich obliczeń hydrostatycznych.
Długość między prostopadłymi: Długość pomiędzy pionami dziobowymi i rufowymi to długość pomiędzy pionami prostopadłymi. LBP jest bardzo ważnym parametrem we wszystkich obliczeniach stateczności, stąd obliczanie LBP przy różnych zanurzeniach staje się ważnym etapem w przeprowadzaniu analiz stateczności.
Sheer: Krzywa w górę utworzona przez główny pokład w odniesieniu do poziomu pokładu na śródokręciu, nazywana jest sheer. Zazwyczaj jest on nadawany, aby umożliwić przepływ zielonej wody z dziobu i rufy do śródokręcia oraz umożliwić odprowadzanie wody do zęzy. Przedni fartuch jest zwykle większy niż rufowy, aby chronić przed falami przednie urządzenia kotwiczne.
Linia letniego obciążenia: Letnia linia ładunkowa to linia wodna statku na wodzie morskiej, gdy ma on masę projektową i warunki balastowe. Jest ona również nazywana zanurzeniem projektowym; stanowi ona odniesienie dla wszystkich innych linii ładunkowych statku.
Długość linii wodnej: Długość kadłuba statku przy letniej linii ładunkowej jest długością linii wodnej dla statku. Długość ta odgrywa ważną rolę w obliczeniach hydrostatyki statku, a także w obliczeniach projektowych śruby napędowej.
Długość całkowita: Długość pomiędzy najbardziej wysuniętym do przodu i najbardziej wysuniętym na rufę punktem kadłuba statku to jego długość całkowita. Długość ta odgrywa istotną rolę w projektowaniu planów dokowania i rozdeskowania statku. W stoczniach, gdzie dostępnych jest wiele doków budowlanych, długość całkowita, szerokość i głębokość statku jest czynnikiem decydującym o wyborze odpowiedniego bloku konstrukcyjnego dla statku.
Linie i kształt kadłuba
Pierwszym krokiem w projektowaniu kadłuba statku jest zaprojektowanie jego kształtu i formy. Kształt kadłuba statku szacuje się za pomocą różnych współczynników kształtu, omówionych w następujący sposób:
Współczynnik blokowy: Współczynnik blokowy jest to stosunek objętości podwodnej statku do objętości urojonego prostokąta zamykającego podwodną część kadłuba. Ponieważ długość, szerokość i wysokość tego prostokąta stanowiłyby długość między pionami, maksymalną szerokość i zanurzenie statku, współczynnik blokowy wyraża się następująco:
Wartość współczynnika blokowego wynosi jeden dla statku o przekroju prostokątnym. Stąd dla typowego kształtu kadłuba statku będzie on mniejszy od jeden. Im wyższy współczynnik blokowy, tym pełniejsza jest forma kadłuba (np. zbiornikowce, masowce). Drobniejsze formy kadłuba mają niższe współczynniki blokowe (np. kontenerowce, okręty wojenne).
Współczynnik śródokręcia: Współczynnik śródokręcia to stosunek powierzchni zanurzonej sekcji śródokręcia do prostokąta ją zamykającego. Wyraża się go zatem jako:
Istnieje szereg innych współczynników kształtu, takich jak współczynnik pryzmatyczny, współczynnik objętościowy itp. które są w zasadzie parametrami używanymi do określenia rozkładu objętości kadłuba statku na całej jego długości. Po uzyskaniu tych współczynników, na podstawie badań statystycznych, opracowywane są linie kadłuba.
Plan linii kadłuba statku składa się z trzech widoków. Aby zrozumieć plan linii, musimy najpierw wiedzieć, co to są pośladki i linie wodne.
Gdy kadłub statku jest pocięty na wiele sekcji wzdłużnych, to znaczy, że gdyby pociąć kadłub statku co dwa metry, zaczynając od lewej burty do prawej burty, otrzymalibyśmy sekcje wzdłużne co dwa metry. Kontur każdego przekroju wzdłużnego nazywany jest linią pośladkową, i to jest dokładnie to, co jest przedstawione na rzucie z profilu, jak pokazano poniżej. Liniami odniesienia dla widoku profilu są stacje (pionowe linie siatki, które oznaczają położenie wzdłużne) i linie wodne (linie poziome, które oznaczają położenie pionowe).
Rysunek 2: Linie pobocznicy.
Jeśli kadłub statku jest przecięty wzdłuż każdej linii wodnej, to każda linia wodna tworzy odrębną krzywą. Ponieważ kadłub statku jest symetryczny względem linii środkowej, powszechną praktyką jest rysowanie krzywej po obu stronach linii środkowej, a widok ten nazywany jest planem korpusu lub planem połowy szerokości statku.
Rysunek 3: Plan połowy szerokości.
Ważna wskazówka: Kształt linii wodnej (w planie połowy szerokości) odgrywa decydującą rolę w kształcie rufy i sprawności śruby napędowej. Na powyższym rysunku linie wodne oddalają się od linii środkowej statku wraz ze wzrostem wysokości nad poziomem odniesienia. Oznacza to, że najbardziej wewnętrzna krzywa jest najniżej położoną linią wodną. Zwróćmy uwagę, jak linie wodne prostują się na rufie w miarę oddalania się od stępki. Świadczy to o tym, że statek ma pawężową rufę. Dlaczego więc preferowana jest rufa pawężowa? Odpowiedź leży w kształcie linii wodnej na rufie. Wzdłużny kierunek, jaki obrały linie wodne na rufie, zapewnia przepływ wody na rufie w kierunku prawie prostopadłym do tarczy śruby. Zapewnia to minimalny przepływ poprzeczny na śrubie, a więc maksymalną sprawność śruby.
Jeżeli kadłub statku pokroimy tak, aby na każdym stanowisku utworzyć przekrój, to otrzymamy plan nadwozia, jak pokazano poniżej. Typowa praktyka rysowania planu kadłuba polega na zaznaczeniu wszystkich półprzekrojów (ze względu na symetrię kadłuba). Przekroje przed śródokręciem rysujemy po prawej stronie linii środkowej, a wszystkie przekroje od śródokręcia do rufy rysujemy po lewej stronie.
Rysunek 4: Plan nadwozia.
Plan nadwozia jest najbardziej użytecznym przedstawieniem linii kadłuba statku. Liniami odniesienia w planie nadwozia są pośladki (pionowe linie siatki) i linie wodne (poziome linie siatki). Plan nadwozia, wraz z liniami odniesienia, może być w wystarczającym stopniu wykorzystany do opracowania planu profilu i planu połowy szerokości statku. Jest on również przydatny przy opracowywaniu krzywej powierzchni przekroju oraz krzywych bonjeana statku.
Pełny plan liniowy statku układa się przez umieszczenie widoku profilu na górze, planu połowy szerokości tuż pod nim, a planu nadwozia po jego prawej stronie, jak pokazano poniżej. Plan sytuacyjny stanowi podstawę do opracowania nie tylko trójwymiarowego modelu kadłuba, ale także do opracowania w stoczni wręgowych rysunków konstrukcyjnych, schematu ogólnego i rysunków poddasza.
Rysunek 5: Lines plan of a ship.
Hull Structure and Strength
Projekt konstrukcyjny kadłuba statku stanowi około 70 procent całkowitego projektu konstrukcyjnego statku. Etapy projektowania konstrukcji kadłuba są następujące:
Krok 1: Obliczenie obciążeń kadłuba: W tym miejscu do gry wchodzą przepisy towarzystw klasyfikacyjnych. Zestawy reguł zawierają specjalistyczne wzory do obliczania obciążeń kadłuba statku przez fale. Za pomocą tych wzorów należy obliczyć moment zginający dla wody stojącej, moment zginający dla fali oraz siły ścinające. Te wartości obciążeń działają jako punkty odniesienia w całym procesie projektowania konstrukcji.
Krok 2: Obliczenia kantówki dla śródokręcia: Wymiary wszystkich elementów konstrukcyjnych statku (płyt, usztywnień, wiązarów, belek, filarów itp.) nazywane są zbiorczo kantówkami. Obciążenia obliczone w kroku 1 są wykorzystywane do uzyskania wymiarowania kantówek, które jest obliczane dla elementów konstrukcyjnych w każdej ramie.
Krok 3: Midship Section Modulus: Rysunek konstrukcyjny sekcji śródokręcia jest przygotowywany zgodnie z obliczonymi wymiarami skośnymi. Następnie należy zlokalizować oś obojętną sekcji śródokręcia i obliczyć moduł przekroju sekcji śródokręcia. Na tym etapie muszą być spełnione dwa kryteria:
- Uzyskany moduł przekroju poprzecznego śródokręcia musi być równy lub większy od minimalnej wartości modułu przekroju uzyskanej ze wzoru empirycznego podanego w normie.
- Obliczane są naprężenia zginające na pokładzie i stępce i sprawdzane jest, czy wartości naprężeń mieszczą się w wymaganym współczynniku bezpieczeństwa.
Rysunek 6: Rysunek przekroju śródokręcia statku pasażerskiego.
Na powyższym rysunku przekroju śródokręcia linia niebieska (NA) jest osią neutralną przekroju. Wykres naprężeń zginających rysuje się z osią neutralną jako punktem odniesienia (początkiem), a najwyższe i najniższe końce wykresu oznaczałyby wartości naprężeń odpowiednio na pokładzie i stępce, jak pokazano na poniższym wykresie naprężeń.
Rysunek 7: Wykres naprężeń zginających w sekcji śródokręcia statku.
Dlaczego uważasz, że ważne jest zaprojektowanie konstrukcji sekcji śródokręcia statku przed innymi sekcjami? Przeczytaj ten artykuł, aby dowiedzieć się, co sprawia, że śródokręcie jest strukturalnie najważniejszym regionem statku.
Krok 4: Frame-wise Scantling Calculation: Gdy wymiarowanie środkowej części statku spełnia kryteria, oblicza się wymiarowanie elementów konstrukcyjnych w każdej ramie i przygotowuje się odpowiednie rysunki konstrukcyjne dla każdej ramy. Dla sekcji dziobowej i rufowej oraz grodzi stosuje się specjalne wzory i przygotowuje się odpowiednie rysunki.
Krok 5: Obliczanie ciężaru stali: Uzyskane obliczenia kantówek są wykorzystywane do obliczenia ciężaru stali statku. Od tego momentu zaczyna się iteracja. Jeśli obliczony ciężar stali leży poza wartościami uzyskanymi empirycznie i statystycznie, projektant będzie musiał rozważyć użycie stali o mniejszej masie w odpowiednich rejonach lub podjąć inne decyzje, aby utrzymać ciężar okrętu w dopuszczalnych granicach.
Krok 6: Opracowanie modelu strukturalnego 3D i analizy FEA: Dzięki rysunkom konstrukcyjnym każdej z ram, przygotowywany jest trójwymiarowy model strukturalny całego kadłuba. Proces ten trwa najdłużej, ponieważ dokładność tego modelu będzie miała bezpośredni wpływ na wyniki analiz metodą elementów skończonych, które mają nastąpić później. Na modelu 3D przeprowadza się trójwymiarowe siatkowanie, a następnie analizy metodą elementów skończonych dla różnych warunków. To właśnie na podstawie wyników tych analiz towarzystwa klasyfikacyjne zatwierdzają dziś projekty konstrukcyjne statków, ponieważ dostarczają one bardziej wiarygodnych danych niż te uzyskane w wyniku obliczeń liniowych.
Stabilność kursowa kadłuba
Innym ważnym aspektem kadłuba statku jest jego charakterystyka kierunkowa lub zachowanie kursu na morzu. Innymi słowy, jego zdolność manewrowa. Aby ocenić manewrowość kadłuba statku, oceniamy następujące aspekty:
- Stabilność w linii prostej: Jeżeli statek poruszający się w linii prostej poddany jest zewnętrznemu zakłóceniu i zmienia swój kierunek, ale nadal porusza się w linii prostej wzdłuż nowego kierunku, bez pomocy steru, to mówi się, że kadłub ma stateczność prostoliniową.
- Stateczność kierunkowa: Jeżeli statek poruszający się po linii prostej jest poddany zewnętrznemu zakłóceniu, i kontynuuje ruch po nowej ścieżce, która jest równoległa do początkowego kierunku, to mówi się, że statek posiada stateczność kierunkową. Stateczność kierunkowa nie jest możliwa bez pomocy powierzchni sterowej (np. steru), ale posiadanie stateczności prostoliniowej ułatwia osiągnięcie stateczności kierunkowej.
- Stateczność szlakowa: Jeśli statek poruszający się po linii prostej jest poddany zewnętrznym zakłóceniom, a następnie kontynuuje ruch po tej samej ścieżce (po kilku oscylacjach), mówi się, że ma stateczność kursową. Stateczność kursowa, podobnie jak stateczność kierunkowa, może być osiągnięta tylko wtedy, gdy osiągnięta jest stateczność prostoliniowa.
Rysunek 8: Stateczność kursowa kadłuba statku.
Celem projektowym podczas opracowywania kadłuba statku jest zatem osiągnięcie stateczności prostoliniowej. W tym celu przeprowadza się próby na basenach modelowych i mierzy się współczynniki hydrodynamiczne dla kadłuba statku. Te współczynniki hydrodynamiczne są charakterystycznymi cechami zdolności kadłuba do utrzymywania kursu, a w przypadku niepożądanych wyników podejmuje się decyzje o zmianie kształtu lub geometrii kadłuba. Na przykład, często w późniejszych etapach projektowania, po uzyskaniu wyników prób w basenie modelowym, dodaje się do kadłuba skeg, aby poprawić jego stateczność w linii prostej.
Interakcja kadłub-nadbudówka
Zaobserwowano, że obecność nadbudówki na pokładzie głównym zmniejsza naprężenia zginające na pokładzie w stosunku do wartości naprężeń przewidywanych przez teorię zginania belki. Dzieje się tak z powodu interakcji naprężeń ścinających z naprężeniami zginającymi na końcach nadbudówek. Prowadzi to jednak do odkształceń na końcach konstrukcji nośnej. Innymi słowy, jeśli nadbudowa jest efektywna, musi być w stanie przejąć pewną część naprężeń zginających na pokładzie. Stopień, w jakim przejmuje ona naprężenia zginające, określa jej sprawność, którą projektanci wolą nazywać sprawnością nadbudowy. Można ją wyrazić jako:
To od projektanta zależy, czy zaprojektuje nadbudówkę, która przejmie naprężenia zginające od kadłuba, czy też zaprojektuje taką, która będzie wolna od jakiejkolwiek interakcji z kadłubem. Zaprojektowanie 100-procentowo wydajnej nadbudówki byłoby możliwe, ale wiązałoby się z koniecznością zastosowania ciężkich, głębokich grodzi na końcach nadbudówki, aby zapobiec poważnym odkształceniom spowodowanym ścinaniem. Aby jednak zwiększyć sprawność nadbudówki, większość statków ma nadbudówki połączone z kadłubem za pomocą grodzi poprzecznych pod pokładem oraz środników, które biegną w sposób ciągły od kadłuba do nadbudówek na jego dziobowych i rufowych końcach.
Inne aspekty projektowania kadłuba statku
Istnieją inne aspekty kadłuba statku, które odgrywają istotną rolę w działaniu statku na morzu. Obliczenie oporu kadłuba jest ważnym krokiem w określaniu efektywności energetycznej kadłuba. Metody obliczania oporu kadłuba statku zostały szczegółowo omówione w niniejszym artykule.
Innym istotnym aspektem kadłuba statku jest jego wodoszczelność. Aby to zapewnić, projektant musi zadbać o stateczność statku w stanie nienaruszonym i uszkodzonym. Aby poznać aspekty stateczności kadłuba statku, należy przeczytać artykuły na temat stateczności w stanie nienaruszonym i stateczności w stanie uszkodzonym. Artykuł o podziale kadłuba statku omawia, w jaki sposób liczba i położenie grodzi wodoszczelnych są określane podczas projektowania kadłuba statku.
Wibracje i reakcja dynamiczna kadłuba statku jest czynnikiem, który określa nie tylko wydajność statku, ale także jego trwałość na morzu. Spośród wszystkich różnych drgań na statku, drgania dźwigara kadłuba statku są głównym powodem do niepokoju. Statek z niepożądanych poziomów wibracji może być ewentualnie złomowany projekt prawo w jego początkowych latach. Przeczytaj ten artykuł, aby dowiedzieć się więcej o rodzajach drgań na kadłubie statku, źródłach wzbudzenia i środkach projektowych podjętych w celu zminimalizowania poziomu drgań kadłuba na pokładzie.
Zrzeczenie się odpowiedzialności: Poglądy autorów wyrażone w tym artykule niekoniecznie odzwierciedlają poglądy Marine Insight. Dane i wykresy, jeśli zostały użyte, w artykule zostały zaczerpnięte z dostępnych informacji i nie zostały potwierdzone przez żaden organ ustawowy. Autor i Marine Insight nie twierdzą, że są one dokładne i nie ponoszą żadnej odpowiedzialności za nie. Artykuł nie może być powielany, kopiowany, udostępniany lub używany w jakiejkolwiek formie bez zgody autora i Marine Insight.
Tagi: kadłub statku projektowanie kadłubów statków