Напряжения при общей вибрации корпуса и виды усталости

Как уже говорилось выше, общая вибрация корпуса является либо следствием резонансных колебаний корпуса (двухузловая вибрация) на сравнительно слабом волнении, либо проявляется в виде периодически возникающих затухающих колебаний, вызванных ударами при днищевом или бортовом слеминге.

Волновая вибрация отличается сравнительно большей стационарностью процесса обусловленных ею переменных напряжений, изменяющихся с частотой первого тона собственных изгибных колебаний корпуса. При этом амплитуды процесса волновой вибрации сами также изменяются во времени, в результате чего процесс в целом имеет вид биений, т. е. плавно и случайно изменяющейся (пульсирующей) вибрации корпуса.

Обратимся к результатам экспериментальных исследований волновой вибрации — основному источнику достоверной информации о характере и интенсивности этого процесса. Отметим, однако, что дальнейший прогресс в области изучения динамических нагрузок возможен лишь на основе непосредственных сравнений результатов натурных испытаний с результатами расчетных методов их определения, учитывающих вероятностную природу реального волнения.

По имеющимся данным, в результате натурных испытаний судов с гибкими корпусами установлено появление резонансной вибрации только на умеренных волновых режимах (2—4 балла). Напряжения при этом соизмеримы с напряжениями от волновых моментов. Опубликованы данные о размахах вибрационных напряжений (Г. В. Бойцов, О. М. Палий), замеренных во время натурных испытаний на шести танкерах и рудовозах водоизмещением от 65 до 180 тыс. т при разных состояниях загрузки (табл. 3.2.1). Собственная частота колебаний первого тона для их корпусов составляла от 33 до 57 колебаний в минуту (0,5—1 Гц). Размахи вибрационных напряжений на разных курсовых углах изменялись в пределах от 1 до 45,5 МПа, при размахах волновых напряжений 2,5—50 МПа. Близкие к этим данные для танкера дедвейтом 47 тыс. т приведены Н. Е. Путовым (рис. 3.2.1). Там же отмечено, что волновая вибрация может быть не постоянной, а носить характер биений. По автоматическим записям на одном из судов установлено, что волновая вибрация возникала 12 раз в течение 50 мин и поддерживалась 2—2,5 мин, т. е. всего в течение приблизительно половины времени.

Рис. 3.2.1. Влияние курсового угла на максимальные размахи напряжений волновой вибрации (7) и волновых моментов (2).

Таблица 3.2.1

Вибрационные напряжения по результатам натурных испытаний танкеров и рудовозов.

* — средние размахи напряжений, без звездочки — максимальные.

Оценка возможности возникновения волновой вибрации корпуса и ее интенсивности при проектировании судна основана, очевидно, на сопоставлении собственной частоты колебаний корпуса со спектральными характеристиками волнения. Для оценки частоты изгибных коле-

баний корпуса первого тона могут быть использованы приближенные формулы, из которых наиболее распространенными являются формулы Шлика и Тодда — Марвуда. Эти формулы дают не частоту X, а число колебаний в минуту N = 60Х/2п = 9,55Х. Формула Шлика имеет вид.

где /₀ — момент инерции миделевого сечения; D — водоизмещение судна; L — длина судна; с — эмпирический коэффициент, равный для судов с острыми обводами 3,44 • 10⁶, для больших трансатлантических судов — 3,14 • 10⁶, для транспортных судов с полными обводами — 2,8 • 10⁶.

Для традиционных грузовых судов приемлема формула Тодда — Марвуда

где В, Н и L — соответственно ширина, высота борта и длина судна.

По данным расчетов, сверенным с экспериментальными данными, у упоминавшегося в параграфе 3.2 мелкосидящего танкера типа «Олег Кошевой» (L = 115 м; В = 16 м; Т = 5,5 м; 6 = 0,79) с полным грузом N± = 46 кол./мин, в балласте N_x = 59 кол./мин. Относительно малое значение для этого танкера объясняется тем, что у него отношение L / Н существенно больше, чем у обычных судов. Это приводит к уменьшению жесткости корпуса. Видно, что полученные для этого судна частоты близки к частотам собственных колебаний первого тона для более крупных судов, приведенных в табл. 3.2.1, корпуса которых также подвержены волновой вибрации.

Рис. 3.2.2. Гистограммы размахов напряжений в корпусе танкера водоизмещением 200 000 т:

а — в балласте; б — с грузом;? — напряжения от волновой вибрации;? — волновые напряжения Отметим существенное влияния загрузки на склонность судна к волновой вибрации. Загруженное судно гораздо менее подвержено ей, чем судно в балласте. Об этом свидетельствуют гистограммы напряжений (рис. 3.2.2), зафиксированные за три месяца плавания норвежского танкера водоизмещением 200 000 т и длиной 311 м. По мнению Н. Е. Путова, в балластных условиях вероятность волновой вибрации не зависит от интенсивности волнения и курсового угла; для судна с грузом эта вероятность увеличивается с ростом интенсивности волнения и по мере приближения к встречным курсовым углам. Первое утверждение вызывает некоторые сомнения. Возможно, при испытаниях упомянутого танкера дело обстояло именно так, но это не согласуется с данными табл. 3.2.1. Например, для рудовоза «Зоя Космодемьянская» при водоизмещении 37 500 т, что составляет немногим более половины полного водоизмещения, и для танкера «Рихард Зорге» в балласте видна существенная зависимость размахов напряжений от курсового утла, а для рудовоза «Зоя Космодемьянская», кроме того, размахи напряжений зависят от балльности волнения.

Обратимся к напряжениям, возникающим при общей вибрации корпуса, которая периодически проявляется при слеминге. Некоторыми исследователями применительно к этим колебаниям используется термин «випинг», а соответствующие напряжения называют випинговыми. Для краткости воспользуемся этим термином. В параграфе 3.1 показана природа возникновения випинга (см. рис. 3.1.1). Несмотря на частое упоминание этого явления в работах многих авторов, очень мало конкретной информации, которая давала бы не только его качественную, но и исчерпывающую количественную картину. Дело, видимо, в том, что эту циклическую нагрузку всерьез не рассматривают как возможную причину усталостных повреждений, хотя и непонятно — почему? Действительно, отдельно сама по себе эта разновидность вибрации вряд ли может привести к появлению усталостных трещин. В то же время ее рассмотрение в качестве составляющей в ряду других вибрационных нагрузок, которые в комплексе приводят к появлению усталостных повреждений, вполне уместно.

Бельгийским центром корабельных исследований проводились натурные испытания сухогрузных судов «Лукуга», «Жордан» и рудовоза «Минерал сереинг», в частности, производились замеры випинговых напряжений. Результаты испытаний опубликованы Г. Аэртсеном.

На судне «Лукуга» (I = 136 м) наибольшие напряжения были зафиксированы при переходе в полном грузу (D = 16 000 т) при скорости 12,9 уз. на встречном волнении интенсивностью 6 баллов по шкале Бофорта, а также в балластном переходе (D = 9900 т) при скорости 12,2 уз. на встречном семибалльном волнении.

При плавании с близкой к полной загрузкой команда не замечала выраженных ударов. Наибольшие значения размахов вибрационных напряжений от слеминга не превосходили 8 МПа для судна в полном грузу на встречном волнении и 5 МПа — для судна с неполной загрузкой на попутном волнении. Эти вибрации имели продолжительность от 10 до 30 с. Они повторялись примерно через 5 мин у судна в первом случае и через каждые полчаса — во втором. Для судна в полном грузу вибрации при встречном шестибалльном волнении сравнительно более сильны, чем при попутном семибалльном волнении, хотя высота волны в последнем случае почти в два раза больше, чем в первом. При плавании с балластом на встречном семибалльном волнении более или менее регулярно, с интервалами приблизительно 7 мин, возникали значительные вибрационные напряжения с размахом 13—32 МПа. Во всех случаях вибрационные колебания имели частоту первого тона, а размахи наибольших вибрационных напряжений составляли около половины размаха волновых напряжений.

При десятимесячном испытании в море сухогруза «Жордан» (I = = 146,2 м; D = 19 057 т) в балластных переходах не было встречено достаточного для возникновения слеминга волнения. В полном грузу на попутном волнении интенсивностью = 7,8 м при скорости 9,3 уз. наибольшее випинговое напряжение составило 18 МПа, т. е. около 48% наибольшего волнового напряжения. Число ударов составляло 7,2 удара в час. На более интенсивном волнении (h_3% = 13,4 м) скорость упала до 3,3 уз., а курсовой угол составил 30°. Наибольшее значение размаха випингового напряжения составило 7 МПа.

В 1966 г. в течение более 10 мес. производились мореходные испытания большого рудовоза «Минерал сереинг» (L = 218 м; D = 62 000 т). Судно плавало в очень суровых погодных условиях как в полном грузу, так и в балласте.

Замеренные волновые и випинговые напряжения оказались наибольшими из когда-либо замеренных Бельгийским центром корабельных исследований. Максимальные випинговые напряжения (60 МПа), равные 55,5% наибольшего размаха волнового напряжения, были отмечены при плавании в балласте со скоростью 7,3 узла на встречном волнении с h_1/3 = 6,2 м при курсовом угле 15°. При плавании в грузу на встречном девятибалльном волнении при скорости 4,6 узла наибольшая амплитуда випинговых напряжений составила 14,5 МПа, т. е. около 18% наибольшего волнового напряжения.

Из модельных испытаний наиболее известны испытания, проведенные М. Очи. Хотя измерения випинговых напряжений проводились только на регулярном волнении, однако и при этом автором были сделаны важные выводы. Наиболее существенным с точки зрения возможного района появления усталостных повреждений является то, что наибольшие випинговые напряжения в палубе при плавании в балласте имеют место не на миделе, а в сечении, смещенном на 0,0751 в нос от миделя. Напряжения в этом сечении приблизительно в 1,3 раза больше, чем на миделе.

Иногда упоминают еще одну причину общей вибрации корпуса. Это работа судовых механизмов и неравномерность гидродинамического потока у гребных винтов. Эта вибрация всегда имеет место, но если она не носит резонансного характера, то практически неощутима как с точки зрения обитаемости, так и не вызывает сколько-нибудь заметных напряжений в конструкциях корпуса. Возникновение же резонанса в этой связи может быть только следствием грубых ошибок проектирования, что практически бывает крайне редко. Силовая установка и движители скорее являются источниками местной вибрации соседствующих с ними конструкций.

Рис. 3.2.3. Количество повреждений от вибрации:

1 — набор судов, перевозящих генеральные грузы; 2 — поперечный набор днища танкеров; 3 — набор переборок танкеров; п — количество повреждений на 1 судно в год; t — срок эксплуатации Учитывая основные закономерности процесса усталости, можно утверждать, что уровень вибрационных напряжений в сочетании со сроком эксплуатации являются решающими факторами, определяющими интенсивность процесса накопления усталостных повреждений. На рис. 3.2.3 приведены данные о количестве повреждений от вибрации в зависимости от срока эксплуатации. Ясно, что в результате малоцикловой усталости в наиболее напряженных конструкциях повреждения появятся достаточно быстро (в течение месяцев и даже дней). В конструкциях менее напряженных для появления трещин понадобится больше времени, и усталость может носить многоцикловый характер. Из рис. 3.2.3 видно, что для различных типов судов и конструкций максимум повреждаемости приходится на 3—11-е годы эксплуатации. С учетом достаточно высоких частот собственных колебаний и уровня напряжений такой ресурс свидетельствует о том, что при волновой вибрации речь идет не только о малоцикловой, но и о многоцикловой усталости.