Методика определения массы и координат центра тяжести судна порожнем с деревянным корпусом

Всякое морское судно является сложным сооружением, проектирование которого требует решения многочисленных и очень разнообразных вопросов, возникающих на пути разработки проекта от самого общего замысла до создания комплекта чертежей, передаваемых на судостроительное предприятие. Практика показала, что весь этот путь не может быть пройден сразу, за один прием, поэтому для принятия полноценных и обоснованных решений требуется преодолеть его постепенно, шаг за шагом или этапом, проверяя и анализируя результаты, полученные на каждом этапе, а затем уточняя и корректируя их при переходе к последующему этапу.

Вопрос, связанный с определением масс и координат центра тяжести (Ц.Т.) судна является одним из важнейших вопросов при проектировании судна, поскольку от него зависят многие важные качества судна: мореходные качества,  экономические показатели. В процессе проектирования приходится определять массу и координаты Ц.Т. судна. Наибольшую сложность для проектанта представляет определение массы и координат Ц.Т. судна порожнем. В составе полного водоизмещения рыболовного судна, водоизмещение порожнем составляет (6070)% [1]. Поэтому при проектировании судна, правильное определение массы и координат Ц.Т. судна порожнем на начальных стадиях гарантирует от грубых ошибок в следующих этапах проектирования.

На начальных стадиях проектирования для определения водоизмещения судна порожнем можно использовать эмпирические зависимости, которые получены путем статистической обработки данных по нагрузке масс построенных и спроектированных судов. Формулы для определения массы корпуса с оборудованием и водоизмещения порожнем применительно к промысловым судам предложены в работах ряда авторов: П.В. Аракельян, Н.Ф. Пырялин, М.С. Труб, А.И. Раков, Б.А. Тристанов… Существующие формулы применимы к промысловым судам с металлическим корпусом. Для деревянных рыболовных судов подобные формулы еще отсутствуют. Исходя из этого, нами разрабатывается  методика применительно к деревянным рыболовным судам для республики Вьетнам.

На начальных стадиях проектирования водоизмещение судна порожнем можно разбить на несколько укрупненных статей нагрузки: деревянный корпус; судовые устройства; оборудование корпуса; механизмы; судовые системы; электрооборудование, связь и управление; снабжение.

При разработке формул расчета массы и координат Ц.Т. деревянного корпуса использован принцип детальной разбивки, который основан на свойствах конструкций по материалам, функции связи в конструкции. По этому принципу, конструкции одного назначения и из одной группы древесины, находящиеся в зависимости от одинаковых факторов влияния, будут включены в одну группу. Конкретно, деревянный корпус будет разбит на следующие группы и элементы:

- наружная обшивка;

- внутренняя обшивка (если существует на судне);

- закладка, включающая в себя киль, кильсон (если есть), штевни, старпост;

- обшивка фальшборта;

- поперечный набор и стойки фальшборта;

- водонепроницаемые переборки со стойками;

- настил палубы;

- набор палубы;

- бархоут и шпунтовой пояс;

- ватервейс и подбалочный брус;

- скуловой и днищевой поясья;

- транец со стойками;

- обшивка надстройки;

- набор надстройки;

- металлические части и прочие конструкции деревянного корпуса.

На рис.1. представлено миделевое сечение деревянного рыболовного судна с традиционными обводами Вьетнама.

 

Рис. 1. Конструктивный мидель-шпангоут деревянного рыболовного Вьетнама.

где, 1 – киль; 2 – шпунтовой пояс; 3 – наружная обшивка; 4 – бархоут; 5 – обшивка фальшборта; 6 – ватервейс; 7 – настил палубы; 8 – подбалочный брус; 9 – бимс; 10 – скуловой пояс; 11 – днищевой пояс; 12 – шпангоут; 13- стойка фальшборта.

Алгоритм расчета масс и координат Ц.Т. статей деревянного корпуса будет базироваться на основании многофакторного регрессионного анализа. Математически любая функциональная зависимость может быть разложена в ряд Тейлора, который имеет вид [2]:

                                                                (1)

где - коэффициенты уравнения, - факторы.

Масса и координаты каждой статьи нагрузки могут быть выражены в зависимости от характеристик судна через выражение (1).

Функциональные зависимости или математические модели, связывающие измерители масс и относительные координаты Ц.Т. статей нагрузки судна с его главными характеристиками могут быть разработаны по следующей схеме (рис.2.)

Использование математических моделей

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 2. Схема разработки математических моделей

 

При этом, выбор факторов влияния производится путем анализа графиков зависимостей измерители масс и относительных координат Ц.Т. статей нагрузки от главных характеристик судна.

Математические модели получаются в результате решения системы уравнений вида (1). Количество уравнений вида (1), или количество вариантов судов, требуемых для создания математических моделей, зависит от количества коэффициентов разложения (1).

Неиспользуемые варианты судов для создания математических моделей используются для определения погрешностей разработанных моделей.

Адекватность математических моделей проверена на ряде реальных судов, построенных по тем же правилам проектирования, но в различных конструкторских бюро, отрасли Вьетнама.

Ниже приведен, в качестве примера, результат разработки математической модели нагрузки масс статьи нагрузки «наружная обшивка» для малых деревянных рыболовных судов (МДРС) с традиционной вьетнамской формой обводов.

Данные для разработки математических моделей берутся из специально спроектированной серии МДРС, в которой варьируются: длина судов, соотношения главных размерений, коэффициенты полноты, конструкция набора и материал корпуса. В таблице 1 приведена характеристика разработанной серии математических моделей МДРС.

 

Серия МДРС                                                                                      Табл.1.

 

Здесь, L – длина между перпендикулярами судна, м,

           B – ширина судна по КВл, м,

           H – высота борта в миделе до верхней палубы, м,

           T – осадка судна миделем м,

Диапазоны изменения расчетной длины судов, соотношений главных размерений, коэффициентов полноты, длины машинного отделения, длины рубки и также системы набора корпуса приняты по результатам обработки статистического материала по малым вьетнамским и иностранным рыболовным судам.  Расположение машинного отделения и рубки принято с учетом специфики архитектурно-конструктивных типов МДРС Вьетнама. В качестве набора конструкции корпусов принят однорядный набор, поскольку он является типичным для большинства МДРС Вьетнама. В качестве материала корпуса приняты две группы судостроительной древесины по вьетнамским государственным стандартам TCVN 1072-71. Ниже приведена их плотность при влажности 15 % (таблица 2).

 

Плотность судостроительной древесны в практике Вьетнама              Табл. 2.                   

Группа дерева	Плотность g ( кг/м3 )	Примечание
II	730         ÷         850	850 для конструкций набора судов
III	620         ÷         720	720 для конструкций набора судов

 

Зависимость для массы наружной обшивки имеет вид:

                                                                                             (2)

Используя уравнение (1) в квадратичной степенной форме получено уравнение регрессии для массы наружной обшивки в следующем виде:

                               (3)

Для нахождения коэффициентов  уравнения  (3) требуются 28 вариантов судов серии МДРС. Остальные варианты, не использованные при решении (3) будут использованы для определения погрешностей формулы.

При использовании дерева «TAU» (дерево группы II, плотность которого равна  при влажности 15%) получены коэффициенты уравнения (3), которые представлены в таблице 3.

Значения коэффициентов уравнения (3)                                                 Табл.3. 

-544,80	-231,83	3,36	4580,40	23647,09	-21645,33	-2359,71
-2,07	0,34	-9209,57	-1157486,85	-932556,95	0,61	1,51
945,59	-8,99	8,14	-944,29	-22,25	2,79	-2,54
0,09	91,18	-82,61	9440,11	2078245,61	-36,28	33,36

 

Среднее квадратичное отклонение, получаемое при использовании формулы (3) для остальных вариантов судов систематической серии МДРС, не задействованных в решении (3), составляет около 1 %.

В таблице 4 приведены результаты пересчета нагрузки масс по формуле (3) с коэффициентами, представленными в табл.3. для трех МДРС, построенных центром исследования и проектирования рыболовных судов, принадлежащем техническому институту рыбной промышленности Вьетнама в г. Ньячанг [3].

 

Результаты применения формулы (3) для трех реальных судов                      Табл.4.  

                                                         

Название судна		L/B	L/H	T/H			, м	(Проект.)	(Расч.)	Относит. погреш., %
KH-015	14,79	3,02	6,05	0,55	0,490	0,538	0,400	0,347	0,358	- 3,23
BTH-176-BTS	14,46	4,05	7,04	0,65	0,602	0,658	0,400	0,283	0,273	+ 3,52
QNg-23-BTS	17,53	3,05	6,03	0,55	0,605	0,659	0,500	0,424	0,436	- 2,82

 

Для металлических частей корпуса судна, таких как болтовые соединения и крепеж, функциональные зависимости масс и координат Ц.Т. представлены в зависимостях от кубического модуля LBH.

Зависимость массы крепежа от кубического модуля имеет вид:

 , т                                                         (4)

Зависимость относительной аппликаты Ц.Т. крепежа Zg/H от кубического модуля имеет вид:                                                  (5)                   

Зависимость относительной абсциссы Ц.Т. крепежа Xg/L от кубического модуля имеет вид:                                                  (6)                

где,  - масса болтовых соединений и крепежа деревянного корпуса в тоннах;

При использовании композитного материала в качестве защитной обшивки подводной части корпуса судна, функциональные зависимости для расчета масс и координат Ц.Т. представлены в следующем виде:

,т                                                        (7)

                                                                                             (8)

                                                              (9)

где,  - масса защитной обшивки подводной части корпуса в тоннах; - аппликата Ц.Т. защитной обшивки от основной плоскости, м; - абсцисса Ц.Т. защитной обшивки от плоскости мидель - шпангоута, м.

При разработке формул для расчета массы и координат Ц.Т. других статей нагрузки судна порожнем использованы статистические данные деревянных рыболовных судов Вьетнама и СССР. Особенностями архитектурно-конструктивного типа всех собранных  МДРС являются кормовое расположение машинного отделения под рулевой рубкой и носовое расположение рыбного трюма. С целью повышения точности конечного результата расчетов, раздел «судовые устройства» разбиты на такие подстатьи, как: якорное, рулевое, швартовное, грузовое устройство, промысловое, буксирное и спасательное устройство. В качестве модулей для зависимостей массы судовых устройств использованы выражения  или (LB). Аппликата Ц.Т.  традиционно выражается в доли от высоты борта судна Н, а абсцисса Ц.Т.  через длину судна

Ниже в качестве примера приведены графики зависимостей и формулы для пересчета массы и координат Ц.Т. подстатьи «Якорное устройство» (рис.3-5).

Рис. 3. Зависимость массы якорного устройства от модуля

Здесь, y – масса якорного устройства, x – модуль зависимости .

Рис. 4. Зависимость аппликаты Ц.Т. якорного устройства

Здесь, y – аппликата Ц.Т. якорного устройства, x – модуль зависимости Н.

 

Рис. 5. Зависимость абсциссы Ц.Т. якорного устройства

Здесь, y – абсцисса Ц.Т. якорного устройства, x – модуль зависимости L.

- масса якорного устройства в тоннах, Zg – аппликата Ц.Т. якорного устройства от основной плоскости судна, м, Xg – абсцисса Ц.Т. якорного устройства от плоскости мидель - шпангоута, м («+» - в нос, «-» - в корму).

 

Зависимость для определения массы якорного устройства:

, т                                                          (10)

Зависимость для подсчета аппликаты Ц.Т. якорного устройства:

, м                                                                                                        (11)                                             

Зависимость абсциссы Ц.Т. якорного устройства:

, м                                                                                                        (12) 

 

ВЫВОД

Относительные погрешности, приведенные в табл.4, показывают приемлемую для практических целей точность в расчетах масс наружной обшивки МДРС с традиционной вьетнамской формой обводов, спроектированных по правилам классификации и постройки деревянных судов Вьетнама.

В рамке статьи невозможно привести все полученные формулы для расчета водоизмещения порожнем и судна и его координат Ц.Т.

Полученные формулы удобны для автоматизированного проектирования деревянных рыболовных судов.

 

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

 

1.     Ногид Л.М. Проектирование морских судов // часть первая «методика определения элементов проектируемого судна». – Л : «Судостроение», 1964. – 358с

2.     Михайлов В.И., Федосов К.М. Планирование экспериментов в судостроении. –Л.: «Судостроение», 1978. -145с

3.     www.chuyennganh.com