Введение
Тема в морской архитектуре
Прочность судов – тема, представляющая ключевой интерес для морских архитекторов и судостроителей. Слишком прочные суда оказываются тяжелыми, медленными и обходятся дороже в строительстве и эксплуатации из-за большего веса, в то время как слишком слабые суда подвержены незначительным повреждениям корпуса, а в некоторых крайних случаях – катастрофическим разрушениям и затоплению.
Общая нагрузка, изгиб и прочность
Общая нагрузка на определенный участок корпуса судна является суммой всех первичных, вторичных и третичных нагрузок, действующих на него со всех сторон. Типичным расчетным случаем для оперативных вычислений является середина секции нижней обшивки корпуса между шпангоутами, вблизи или в районе миделя судна, примерно посередине между килем и бортом.
Материальный ответ
Современные корабли почти без исключения строятся из стали. Как правило, это достаточно стандартная сталь с пределом текучести около и прочностью на разрыв или пределом прочности на разрыв (UTS) более 150. Сегодня судостроители используют стали, обладающие хорошей коррозионной стойкостью при воздействии морской воды и не становящиеся хрупкими при низких температурах (ниже нуля). Многие корабли выдерживают сильные зимние штормы, и использование некоторых старых судовых сталей, недостаточно прочных при низких температурах, приводило к тому, что корабли раскалывались пополам и тонули в Атлантике во время Второй мировой войны. Эталонной маркой стали является ABS A, установленная Американским бюро судоходства. Эта сталь имеет предел текучести не менее , предел прочности на разрыв не менее и должна вытягиваться не менее чем на 19% при разрушении образца длиной и 22% при разрушении образца длиной 2 дюйма (50 мм). Необходимо применять коэффициент запаса прочности выше предела текучести, поскольку сталь, регулярно подвергаемая нагрузке до предела текучести, будет подвержена усталости металла. Стали обычно имеют предел усталости, ниже которого любое количество циклов напряженного нагружения не вызовет усталости металла и трещин/повреждений. Критерии проектирования судов обычно предполагают, что все нормальные нагрузки на судно, умноженные на умеренный коэффициент запаса прочности, должны быть ниже предела усталости для стали, используемой при его строительстве. Разумно предполагать, что судно будет регулярно эксплуатироваться с полной загрузкой, в плохую погоду и при сильном волнении, и что в течение всего срока службы оно многократно будет подвергаться воздействию максимальных нормальных условий эксплуатации. Проектирование ниже предела усталости, как правило, обеспечивает значительные (коэффициент до 6 и более) общие коэффициенты запаса прочности от нормальных максимальных эксплуатационных нагрузок до предельного разрушения конструкции на разрыв. Однако такая большая предельная маржа безопасности не является целью: цель состоит в том, чтобы основные эксплуатационные напряжения и деформации на судне в течение всего предполагаемого срока службы не вызывали серьезных усталостных трещин в конструкции. Очень немногие суда когда-либо подвергаются предельным нагрузкам, приближающимся к их пределу прочности. Вероятно, что без учета усталости требования к прочности судна были бы несколько ниже.
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.
Числовое моделирование
Хотя можно разработать достаточно точные расчеты нагрузок на судно и его реакций вручную или с использованием простых компьютерных инструментов, таких как электронные таблицы, сегодня для создания гораздо более детальных и мощных компьютерных моделей конструкции обычно используются современные CAD-программы. Инструменты конечно-элементного анализа применяются для детального измерения поведения конструкции при воздействии нагрузок. Эти программы способны выполнять гораздо более сложные расчеты изгиба и точечных нагрузок, чем это возможно для инженеров за разумное время. Тем не менее, важно уметь вручную оценивать приблизительное поведение корпуса судна. Инженеры не доверяют результатам компьютерных программ без предварительной проверки соответствия полученных данных ожидаемому порядку величин. Кроме того, предварительное проектирование может начинаться до того, как будет собрано достаточно информации о конструкции для проведения компьютерного анализа.