Кіріспе
Кемелердің беріктігі – әскери-теңіз архитекторлары мен кеме жасаушылары үшін маңызды мәселе. Тым берік салынған кемелер ауыр, баяу болады және салмағы артық болғандықтан, құрылысы мен пайдалануына қосымша шығын кетіп, ал тым әлсіз салынған кемелердің корпусында ұсақ зақымдар пайда болып, кейбір жағдайларда толыққан тоқырауға ұшырап, суға батып кетуі мүмкін.
The strength of ships is a topic of key interest to naval architects and shipbuilders. Ships which are built too strong are heavy, slow, and cost extra money to build and operate since they weigh more, whilst ships which are built too weakly suffer from minor hull damage and in some extreme cases catastrophic failure and sinking.
Жалпы жүктеме, иілу және беріктік
Кеме корпусының белгілі бір бөлігіне түсетін жалпы жүктеме – оған барлық факторлардан тиесілі барлық біріншілік, екіншілік және үшіншілік жүктемелердің қосындысы болып табылады. Шапшаң есептеулер үшін әдеттегі сынақ жағдайы – кеменің бойлық қабырғасының төменгі пластинасының қимасының ортасы, кеменің орта бөлігіне жақын, шағын қабырғасы мен борты арасындағы орта тұс.
Материалдық жауап
Қазіргі заманғы кемелердің көбі – дерлік барлығы – болаттан жасалған. Әдетте, бұл шамамен беріктігі бар және тартылу беріктігі (немесе соңғы тартылу беріктігі) жоғары болат болады. Бүгінгі кеме құрылысшылары теңіз суына төзімді, коррозияға қарсы жақсы қасиеттері бар және төмен температурада (мұз температурасының төмен) сынғыш болмайтын болаттарды қолданады. Көптеген кемелер қыстың суық дауылдарына төтеп береді, ал кейбір ескі кемелік болаттардың төмен температурада жеткілікті беріктігі болмағандықтан, Екінші дүниежүзілік соғыста кемелер екіге бөлініп, Атлантика мұхитында батып кетті. Стандартты болат маркасы – Америка кеме құрастыру бюросы (American Bureau of Shipping) белгілеген ABS A болып табылады. Бұл болаттың беріктігі кем дегенде , ал соңғы тартылу беріктігі және 50 мм ұзын сынамада сынуға дейін кем дегенде 19%, ал 2 дюйм (50 мм) ұзын сынамада 22% созылуы керек. Болаттың беріктігіне қарағанда жоғары қауіпсіздік коэффициенті қолданылуы тиіс, себебі беріктігінің шегіне дейін үнемі қысымға ұшыраған болат металл шаршауынан зардап шегеді. Болаттардың әдетте шаршау шегі болады, одан төмен стресс жүктеме циклдары металл шаршауына және жарықтардың/ақаулардың пайда болуына әкелмейді. Кемелерді жобалау критерийлерінде әдетте кемедегі барлық қалыпты жүктемелердің, орташа қауіпсіздік факторымен көбейтілгенде, құрылыста қолданылған болаттың шаршау шегінен төмен болуы керек деп есептеледі. Кеменің толық жүктелген күйде, жаман ауа райында және күшті толқындарда үнемі жұмыс істейтінін және өмір бойында максималды қалыпты жұмыс жағдайларын көп рет бастан өткізетінін ескеру қажет. Шаршау шегінен төмен жобалау, кездейсоқ түрде де, тиімді түрде де, құрылымның қалыпты ең жоғары жұмыс жүктемелерінен соңғы тартылу сәтсіздігіне дейін үлкен (6 есе немесе одан да көп) жалпы қауіпсіздік факторларын қамтамасыз етеді. Бірақ мұндай үлкен қауіпсіздік маржалары мақсат емес: мақсат – кеменің қызмет ету мерзімі бойындағы негізгі операциялық стресі мен деформациясы құрылымда ауыр шаршау жарықтарын тудырмауы керек. Кемелердің өте сирек жағдайларда ғана олардың жалпы сәтсіздік шегіне жақын жүктеме деңгейіне жететінін айтуға болады. Шаршау мәселелерін ескермеген жағдайда, кемелердің беріктігі шамалы төмендеуі мүмкін.
Shipbuilders today use steels which have good corrosion resistance when exposed to seawater and which do not get brittle at low temperatures (below freezing). Many ships endure cold winter storms, and the use of some older ship steels that were not tough enough at low temperature caused ships to crack in half and sink in the Atlantic during World War II. The benchmark steel grade is ABS A, specified by the American Bureau of Shipping. This steel has a yield strength of at least , possesses an ultimate tensile strength of , and must elongate at least 19% in an long specimen before fracturing and 22% in a 2 inch (50 mm) long specimen. A safety factor above the yield strength has to be applied, since steel regularly pushed to its yield strength will suffer from metal fatigue. Steels typically have a fatigue limit, below which any number of stress load cycles will not cause metal fatigue and cracks/failures. Ship design criteria generally assume that all normal loads on the ship, times a moderate safety factor, should be below the fatigue limit for the steel used in their construction. It is wise to assume that the ship will regularly operate fully loaded, in heavy weather and strong waves, and that it will encounter its maximum normal design operating conditions many times over its lifetime. Designing underneath the fatigue limit coincidentally and beneficially gives large (factor of up to 6 or more) total safety factors from normal maximum operating loads to ultimate tensile failure of the structure. But those large ultimate safety margins are not the intent: the intent is that the basic operational stress and strain on the ship, throughout its intended service life, should not cause serious fatigue cracks in the structure. Very few ships ever see ultimate load conditions anywhere near their gross failure limits. It is likely that, without fatigue concerns, ship strength requirements would be somewhat lower.
Сандық модельдеу
Кеме жүктемелері мен оларға реакцияның жеткілікті дәл талдауларын қолмен немесе электрондық кестелер сияқты қарапайым компьютерлік құралдарды пайдалану арқылы жасау мүмкін. Бірақ, қазіргі заманғы CAD компьютерлік бағдарламалары құрылымның әлдеқайда толық және күшті компьютерлік модельдерін жасау үшін қолданылады. Жүктемелер қолданылған кезде мінез-құлқының егжей-тегжейлі өлшенуі үшін шекті элементтерді талдау құралдары пайдаланылады. Бұл бағдарламалар адам-инженерлердің қолынан келетін уақыт шегінде, әлдеқайда күрделі иілу және нүктелік жүктеме есептеулерін орындай алады. Дегенмен, кеме корпусының жуық шамадағы мінез-құлқының есептелуі әлі де маңызды. Инженерлер нәтижелердің күтілетін мәнге сәйкес екендігін тексермей, компьютерлік бағдарламалардың нәтижелеріне сенбейді. Сонымен қатар, құрылым туралы компьютерлік талдау жүргізуге жеткілікті мәліметтер жиналғанға дейін алдын ала жобалау жұмыстары басталуы мүмкін.