第四A章(上、中)船体结构--集美大学2015

第四A章船体结构HullStructure主船体结构上层建筑结构总体结构局部结构船底板架结构3D图油船主船体骨架3D图（纵骨省略未画）散货船船体板列3D图集装箱船主船体骨架3D图（纵骨省略未画）§4.1船体强度基础知识§4.2主船体结构形式§4.3船底结构§4.4舷侧结构§4.5甲板结构§4.6舱壁结构§4.7艏艉、基座及其他结构§4.8上层建筑结构本章教学要求：掌握船底结构、舷侧结构、甲板结构的特征及重要构件术语；熟悉舱壁结构及艏艉结构；了解其他结构及上层建筑结构。本章学习方法：讲授重点+课堂讨论+课后自学+答疑。§4A.1船体强度基础知识船体梁：将船体理想化为无约束自由漂浮在水面上的一空心变截面薄壁梁。总纵弯曲：船体梁在外力作用下在其中线面内所发生的弯曲。总纵强度：船体梁抵抗总纵弯曲的弯矩和剪力而不遭受破坏或严重变形的能力。局部强度：船体各局部结构抵抗局部载荷作用的能力。用后续课程《船舶结构力学》方法进行局部强度计算时，可将船体各部分结构简化为板架、刚架、连续梁和板等结构进行计算，但载荷只能取比较简单情况。随着水深的增加，水对船舶的压强也逐渐增大，所以对船舶下部的横向强度要求更高一些。垂向剪切总纵弯曲横向作用力：静水压力、横向波浪作用力、垂向剪力。横向波浪作用力静水压力作用在船体上的力：无论是航行、停泊，还是在坞内，船舶都会不可避免地受到各种力的作用，归纳起来主要有：船舶重力、浮力、总纵弯曲引起的拉伸力和压缩力、货物的负载、水压力、惯性力、波浪冲击力、扭力、冰块挤压力、水阻力、推力、螺旋桨运转时的水动压力、机器与设备的重力、机器运转时的振动力、船舶靠码头和装卸货物时的碰撞力、船舶触礁、搁浅碰撞力以及进坞时墩木的反作用力等等。这些力的最终效果就是使船舶产生总纵弯曲、扭转、横向及局部变形或破坏。船体受力水的侧压力、波浪中横摇由于惯性力的作用产生的肋骨歪斜大件货物的重力、机器的重力船体结构必须具有承受和抵抗各种变形的能力，即在保证船体总纵强度、扭转强度、横向强度和局部强度及坐坞强度的基础上，保持船舶的形状空间，保证船舶的水密，安装各种船舶设备和生活设施，载运旅客和货物。海浪对船首的拍击力船体横向强度：船体抵抗横向作用力的能力。横向：垂直于纵向（即船长方向）的平面内的任意方向。肋骨歪斜横向变形船体强度：是指船体结构在一定的使用年限中，抵抗外力作用而不被破坏或不发生过大变形的能力。除上述强度外，船体还应具有屈曲强度，即应有足够的稳定性和刚性，使纵向构件、板格和板架受压力作用时不致产生屈曲而造成损害。（当船舶斜置于波浪中，或首尾货舱内的货物堆放在不同的舷侧一边时，以及由于其它原因产生的首尾左右不对称的作用力，都会使船舶所受到的重力和浮力不能对称且均匀地分布，于是会产生扭转力矩，使船体发生扭曲变形.）对尾机型船而言：空载时也会发生中拱，满载时也会发生中垂。船舶所受的最大剪切应力位于距首尾两端约1/4船长处。扭转强度：整个船体梁抵抗扭转变形和破坏的能力。横向强度总纵弯矩的最大值在船中附近，向首尾端逐渐减小。（船体在外力作用下除发生总纵弯曲变形外，各局部结构，如船底、甲板、舷侧和舱壁板架以及横向肋骨框架也会因局部载荷作用而发生变形、失稳或破坏。）（局部强度包括横向强度）对于大开口船舶，还应进行船舶斜置于波浪上的总纵弯曲应力计算。强度储备;船体结构除要保证正常航行状态具有足够的强度,还应在搁浅、碰撞、水下爆炸等意外状态下应具有足够的强度储备。总纵弯矩是静水总纵弯矩和波浪总纵弯矩的叠加，具体数值计算方法（如：“静置法”等）将在后续课程《船体强度与结构设计》里讨论，初步设计时可用船舶建造规范推荐的公式来初步校核总纵强度。（具有甲板大开口船舶应校核其扭转强度。如集装箱船等）。一.概述稳定性问题：由于船舶尺度的增大，总纵弯曲时船体受压构件（主要是中垂状态时的上层甲板）常常会在较小的应力下因其受压过度而丧失稳定性，大大降低了船体抵抗总纵弯曲变形的能力。这样，在校核船体总纵强度的时候，必须考虑受压构件是否有失稳现象，并要分析构件失稳后的应力再分配的问题，才能正确地体现船体总承载能力。应力集中问题:应力集中是由于船体结构不连续而引起的,舱口角隅、上层建筑端部及其他结构不连续的部位也都会发生应力集中。疲劳强度问题：疲劳强度是由于船体结构承受交变载荷作用下引起的，舱口角隅自由边、底边舱与内地板及横向强框架连接处以及肋骨与顶边舱连接处在交变载荷作用下都容易引起疲劳破坏。综上所述,要保证船舶安全，使船舶具有一定的强度和刚度就必须考虑总纵强度、局部强度、扭转强度、稳定性、应力集中和疲劳强度等问题。传统的总纵强度计算方法（静置法），将船舶分别静置于静水和波浪上，通过力学方法计算在沿船长分布的重力与浮力共同作用下，船体梁横剖面上的剪力和弯矩以及相对应的应力，并分别将它们与许用应力进行比较以判定船体的总纵强度。下面简介总纵强度计算原理。长期以来，总纵强度一直是船体强度校核的主要内容。船体结构强度计算主要是船体总纵强度计算。波浪中发生的中拱、中垂现象中拱中垂对船体结构最危险的是总纵弯曲变形和破坏。总纵弯曲变形的形式有中拱和中垂两种。装载不合理也会发生中拱、中垂现象1)计算船体梁载荷分布:假定重力沿船长的分布为p(x)，浮力沿船长的分布为b(x)，则引起船体梁静水总纵弯曲的分布载荷为：2)计算船体梁内力分布:根据梁弯曲理论，作用在船体梁横剖面上的静水总纵弯曲剪力分布和弯矩分布为：()()()qxpxbx分布载荷q(x)虽然船舶处于静力平衡状态（正浮在静水面上，总重力与总浮力大小相等方向相反，并作用于同一铅垂线上），但事实上由于装载状况及浮力沿船长分布情况等，组成船体各区段的重力与浮力通常是不平衡的，因此发生了静水总纵弯曲。显然，装载状态对于静水弯矩与剪力的影响是主要的。浮力分布b(x)重力分布p(x)1.船体梁静水总纵弯矩Ms和剪力Ns计算原理xsdxxqxN0)()(dxdxxqdxxNxMxxxss000)()()(具体采用的数值计算方法将在后续课程《船体强度与结构设计》中介绍。中垂与中拱：指波浪长度与船长接近，造成船中严重下垂或上拱现象，对船舶安全极为不利。一.概述二.总纵强度船体梁在静水中处于平衡状态，船体两端完全自由，因此艏、艉端点处的剪力和弯矩应为零，即剪力和弯矩曲线在端点处是封闭的。在大多数情况下，由于载荷在舯前和舯后大致相等，所以剪力曲线具有反对称规律，零点靠近船舯，而离艏、艉端约1/4船长处具有最大正值或负值。同时，由于两端的剪力为零，即弯矩曲线在两端的斜率为零，所以弯矩曲线在两端与横坐标相切。弯矩的最大值在船舯附近，向首尾端逐渐减小。3)静水总纵弯曲剪力和弯矩分布特点：）（xMs)(xNs2.船体梁静置波浪附加弯矩MW和剪力NW计算原理当船舶由静水进入波浪时，重力曲线并未改变，但水线面发生了变化，从而导致浮力重新分布。波浪状态的浮力相对于静水状态的浮力增量将引起静置波浪附加剪力和弯矩。当船舶静置波浪上的位置发生变化时，船体剖面上的弯矩也将发生变化。而当标准波浪（坦谷波）的波峰或波谷在船舯时，浮力相对于静水面的改变最为明显，因此在船舯剖面会产生最大的波浪弯矩。静置波浪附加剪力和弯矩计算：dxdxxbxMdxxbxNxxwxw000)()()()(具体计算方法将在后续课程《船体强度与结构设计》中介绍，《钢制海船入级与建造规范》中也给出了船体梁各横剖面的中拱波浪弯矩及剪力、中垂波浪弯矩及剪力的计算公式可供计算时使用。)-(wM)-(wN)(wM)(wN式中：——船舶在波浪中的浮力曲线相对于静水面的变化量。)(xbmkN/4.船体梁总纵强度校核（下面仅以弯曲正应力校核为例说明）从梁的弯曲理论可知，当船体发生总纵弯曲变形时，船体横剖面上的总纵弯曲正应力可用式计算，其中M为待校核剖面（弯矩最大剖面）上的弯矩，W为最小剖面模数；最终计算的总纵弯曲应力与相应的许用应力进行比较以判定船体的总纵弯曲强度。WM/（总纵弯矩、剪力为静水总纵弯矩、剪力与波浪附加总纵弯矩、剪力的叠加。）（中垂与中拱：指波浪长度与船长接近，造成船中严重下垂或上拱现象，对船舶安全极为不利。）当船体梁在分布载荷的作用下发生总纵弯曲变形时，作用在梁断面上的总纵弯矩可用来计算，MS为静置于静水中的总纵弯矩，MW为静置于波浪上的波浪附加弯矩。同理，)(()(xMxMxMws）)()()(xNxNxNws中和轴船横梁剖面弯曲正应力3.船体梁待校核剖面上的总纵弯矩及剪力计算某船某载况静水弯矩、剪力曲线总纵弯矩的最大值在船舯附近，向首尾端逐渐减小。显然正应力校核剖面在船舯甲板处。二.总纵强度max船体结构设计与建造的一般要求：1)船体结构具有足够的强度、刚度和稳定性，保持可靠的水密性，并能满足营运上的要求；2)构件本身应有良好的连续性，同时应能保证安装在其上的机械设备具有良好的工作性能；3)应有合理的施工工艺，以提高劳动生产率，减轻劳动强度，缩短船台建造周期，降低成本；4)充分考虑今后维修保养的方便性。1、结构的整体性原则：有关构件应布置在同一平面内，以组成封闭的整体框架结构共同承受载荷的作用。2、受力的均匀性和有效传递原则：布置要尽可能均匀，以避免构件规格太多或是造成材料的浪费。保证某一构件承受外力后，能有效的将力传递到邻近构件上，以避免某一单独的结构构件承受外力。3、结构的连续性和减少应力集中原则：结构应力求连续，避免突然中断。1）必须保证尽可能多的主要纵向构件连续贯通至首、尾，如有困难，纵向强构件应中断在横舱壁或横向强构件上，并在横舱壁的另一边，设置至少延伸二个肋距的肘板。2）在同一船体横剖面内，不允许有超过1/3的甲板纵骨或船底纵骨中断，也不允许有大于二根的甲板或船底纵向强构件间断，纵向构件中断的剖面彼此至少相距二个肋距。三.从强度方面考虑的船体结构设计原则如果结构不连续(即存在突变或强力构件突然终止)，就会产生应力集中(即应力在结构不连续处突然加大到几倍)，应力集中容易引起裂纹以至扩大破坏面。即使在一般情况下不致引起裂纹，但在低温及材料选得不恰当时，可能产生“低温脆断”破坏。纵向构件：在船体结构中，承担总纵弯曲强度的构件称为纵向构件，有：甲板纵桁、甲板纵骨、舷侧纵桁、舷侧纵骨、船底纵桁、船底纵骨、中内龙骨、旁内龙骨、甲板、内底板、纵向舱壁、船体外板等。横向构件：在船体结构中承担横向强度的构件称为横向构件，有：横梁、强横梁、肋骨、肋板、梁肘板、舭肘板、横舱壁等。§4A.2主船体结构形式•船体结构构件：指船体结构中的每一个加工单元，如一块钢板、一根角钢都是一个构件。•船体结构构件分类：（1）按其用途可分为主要构件和次要构件；（2）按其在船体结构中所承担的不同强度作用可分为纵向构件和横向构件。船体板：船体外板、内底板、内舷板、甲板板（包括各层甲板、平台）、舱壁板、上层建筑围壁板、舱口围板、横隔板、顶或底边舱斜板等。船体骨架：用于支撑船体板的一切型材或组合型材组成的结构。船体板架：由船体板和船体骨架组成的结构。一.船体板二.船体骨架及板架三.主船体结构的组成四.船体板架及主船体结构的骨架形式主船体主要由船底板架、舷侧板架、甲板板架和舱壁板架组合而成。船体板船体骨架纵骨架式、横骨架式、混合骨架式。本图所有纵骨省略未画一.船体板1）船体外板：船底板与舷侧板的统称，俗称船壳板。船体外板和甲板板是保证船舶水密的基本构件。（由平板龙骨、舭部外板、船底外板、舷侧外板、舷顶列板组成)船体外板、甲板板接缝若干块钢板经过依次端接后形成的一长条板称为列板。钢板的短边与短边连接称为端接；长边与长边连接称为边接。作用：外板保证船体水密，使船舶具有漂浮及运载能力，它与船体骨架一起共同保证船体的强度和刚度。船体板：船体外板、内底板、内舷板、甲板板（包括各层甲板、平台）、舱壁板、舱口围板、横隔板、顶或底边舱斜板等。船体外板、甲板板是由许多钢板拼合焊接而成钢板长边通常沿船长方向布置，形成船长方向的一列板，称为列板。2）甲板板：甲板骨架上的铺板。作用：甲板板是船体