КАЧКА судна
Качка судна — сложное колебательное движение судна как твёрдого тела на волнении или на тихой воде, шесть видов колебаний (вертикальная, килевая, бортовая, поперечно- и продольно-горизонтальная, рыскание); последствия, амплитуда, размах, период и частота, регулярная и нерегулярная качка, закон распределения Рэлея и спектральный метод расчёта.
Качка судна — сложное колебательное движение, которое судно как твёрдое тело может совершать при плавании на волнении или на тихой воде. По числу степеней свободы твёрдого тела различают шесть видов колебаний. Три из них сопровождаются восстанавливающими усилиями при отклонении судна от положения равновесия:
- вертикальная качка — поступательные колебания по вертикали (попеременное всплытие и погружение);
- килевая качка — вращательные колебания относительно поперечной горизонтальной оси (переменный дифферент);
- бортовая качка — вращательные колебания относительно продольной горизонтальной оси (переменный крен).
Кроме того, судно может совершать поперечно-горизонтальные и продольно-горизонтальные поступательные колебания, а также вращательные колебания относительно вертикальной оси — рыскание. Эти три вида возможны только при переменных во времени возмущающих силах и моментах и восстанавливающих усилий не вызывают.
В реальных условиях разные виды колебаний часто проявляются совместно. Сочетание поперечно-горизонтальных колебаний с бортовой и вертикальной качкой называют поперечной качкой: она возникает, когда судно стоит лагом к волнению. Сочетание продольно-горизонтальных колебаний с килевой и вертикальной качкой называют продольной качкой: она наблюдается при положении судна вразрез волнению. При произвольном курсовом угле относительно волн судно испытывает все виды качки.
Последствия. Качка — отрицательное явление, вызывающее разнообразные нежелательные и даже опасные последствия:
- снижение остойчивости из-за ухудшения сопротивляемости кренящим моментам (судно может опрокинуться при нагрузках, которые без качки были бы безопасны);
- нарушение прочности судна, его устройств и механизмов от инерционных и других перегрузок;
- ухудшение ходкости из-за периодического изменения формы погружённой части корпуса и условий работы движителей и главных двигателей;
- снижение непотопляемости при повреждениях надводного борта;
- усиление заливаемости и забрызгивания палубы.
Качка влияет и на условия обитаемости, и на возможность эффективно использовать бортовые технические средства.
Характеристики. Амплитуда качки — наибольшее отклонение судна от среднего положения при одном колебании. Сумма двух амплитуд следующих друг за другом колебаний — размах качки. Период T — интервал времени между двумя последовательными наибольшими отклонениями в одном направлении. Частота ω характеризует повторяемость колебаний и связана с периодом соотношением ω = 2π/T.
Качку называют регулярной, если амплитуда (размах), период и частота неизменны во времени; при нерегулярной качке они случайны. Принято говорить о характеристиках качки, отвечающих установившемуся процессу колебаний. Качку с небольшими амплитудами считают умеренной, а с большими — интенсивной. Качка плавная, если периоды достаточно велики; при порывистой периоды малы, а ускорения значительны. Регулярную качку обычно описывают двумя параметрами — амплитудой и периодом. Коэффициент динамичности (отношение амплитуды качки к амплитуде волны) отражает реакцию судна на регулярные волны.
Нерегулярная качка. При нерегулярной качке, которую обычно вызывает ветровое волнение, мгновенные значения любой величины u, описывающей колебание судна, распределены по нормальному закону. При оценке мореходности судов предполагают, что каждое колебательное движение судна в одном направлении относительно среднего положения близко к гармоническому, и не учитывают вторичные колебания процесса, возникающие во время этого движения. Тогда плотность вероятности амплитуд описывают законом Рэлея. Из него следует, что средняя амплитуда качки равна 1,25√D, а амплитуда с обеспеченностью (вероятностью превышения) 3 % равна 2,65√D, где D — дисперсия, характеризующая интенсивность качки. Соотношение между амплитудой заданной обеспеченности и средней амплитудой определяют, как и аналогичное отношение высот волн, по заранее рассчитанной таблице.
При реализации процесса качки дисперсию можно определить обработкой статистических данных. При расчёте для прогнозирования параметров качки на трёхмерном волнении её находят спектральным методом: через модуль передаточной функции процесса качки (отношение амплитуды колебаний судна к амплитуде волны на регулярном волнении данной частоты) и энергетический спектр трёхмерного волнения. Здесь используют кажущуюся частоту ωₖ = ω − (v/g)·ω²·cos χ, где v — скорость судна, g — ускорение свободного падения, χ — курсовой угол. Дисперсия скорости качки (и других производных процесса) позволяет аналогично найти характерные амплитуды скорости качки. После перехода к кажущейся частоте подынтегральная функция представляет собой энергетический спектр процесса качки на двухмерном нерегулярном волнении. На нерегулярном волнении качку характеризуют также средним периодом и средней частотой. При расчёте характеристик бортовой качки обычно учитывают нелинейность сил сопротивления наклонениям судна: нелинейное уравнение качки предварительно линеаризуют, после чего при расчёте дисперсий можно применять спектральный метод.