船舶强度与结构设计-授课教案-第三章-船体局部强度校核计算方法

第三章船体局部强度校核计算方法船体各部分结构抵抗局部载荷直接作用而不产生破坏和超过允许限度的变形的能力称为船体结构局部强度。船体结构主要组成部分为船底结构、甲板结构、舷侧结构和舱壁结构。在局部强度校核计算中，首先要将船体空间立体结构简化为板、梁、板架和框架来进行计算，在确定局部结构受到最大载荷(设计载荷)后，建立数学模型计算局部结构的内力与变形。最后要确定局部结构的强度校核衡准。§3.1局部强度计算的力学模型*局部强度概念：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、船侧和舱壁板架以及横向肋骨框架也会因局部载作用而发生变形、失稳或破坏。研究它们的强度问题称为局部强度。*局部强度的主要研究内容：板架、框架、各种骨材以及壳板的强度计算。*局部强度研究方法：（1）传统的局部强度计算方法：即把船体结构划分成各种板架、刚架、连续梁和板等进行计算；（2）有限元法：可以扩展成各种结构的整体计算，如立体舱段计算等。一、建立计算模型的原则结构模型化是计算的前提和结构分析成败的关键，影响计算模型的主要因素有下列几点：（1）结构的重要性：对重要结构应采用比较精确的计算模型；（2）设计阶段：在初步设计阶段可用较粗糙的模型，在详细设计阶段则需要较精确的计算模型；（3）计算问题的性质：对于结构静力分析，一般可用较复杂的计算模型，对于结构动力和稳定性分析，由于问题比较复杂，可用较简单的计算模型。二、构件几何尺寸的简化1、板架计算时：其长度、宽度取相应的支持构件间距离。例如，船底板架和甲板板架的长度取横舱壁之间的距离，宽度取组成肋骨框架梁中和轴的跨距，或简单地取为船宽。2、肋骨刚架计算时：其长度、宽度取组成肋骨框架梁的中和轴线交点间距离，用中和轴线代替实际构件。3、构件剖面要素计算时应包括带板（附连翼板）三、骨架支承条件简化1、骨架支座形式：（1）自由支持在刚性支座上；（2）刚性固定；（3）弹性支座和弹性固定。2、骨架支承条件简化简化成何种支座，视相邻构件与计算构件间的相对刚度及受力后的变形特点而定。四、结构处理模型化1、结构对称性的利用（1）船体结构一般都是左右对称的，充分利用这个特点可大大减少未知量的数目。如果结构与载荷都是对称的，可取一半结构进行计算，在对称面的各节点加上适当的约束，如图3-8(a)所示。（2）如果结构具有纵、横双重对称性，载荷也可对称，则可取1/4结构进行计算。（3）当结构对称、载荷不对称时，可将载荷分解为对称与反对称两种情况计算。2、等效刚度模型的利用等效模型在船体局部强度计算中应用是很普遍的，它可使自由度大为减少。例如，如图3-10所示的大舱口货船的悬臂梁结构，就可采用一维梁模型来计算，以代替空间刚架计算。（1）将悬臂梁简化为支持甲板纵桁的弹性支座（见图3-10(b)），其刚度可由图3-10(c)所示肋骨刚架在单位力作用下的挠度求得，即1υjjARAjjAK1（2）舱口围板处的弹性支座刚度由图3-10(d)所示刚架计算得到。§3.2船体局部强度外力确定一、上甲板、舷侧、底部结构计算水压力考虑到舰船在波浪中横摇、纵摇与升沉运动，以及波浪冲击下的甲板土浪，船体舷外最大水压力比舰船的设计吃水要大，规范规定船体上甲板和艏艉楼甲板的露天部分，其计算载荷主要考虑飞溅水的作用，并按下式计算：81.9p式中p—计算水压力（kPa）；△—计算水头高（m），并按下式计算，但任何情况下不得小于0.5m。fhLK])(8)(21[01.02LXLXK式中X—所计算截面距舰舯的距离(m)，由舰中向艏为正，向艉为负；fh——所计算截面的干舷高(m)，并需计及艏楼和艉楼的高度；L——正常排水时舰船设计水线长(m)。船体底部和舷侧的计算水压力p由下式确定：)]1([81.9HZHp式中p—计算载荷(kPa)；H—计算截面的舷侧高度(m)；Z—计算结构中点距基线的高度(m)，对手底板、舷侧板、底部纵骨、舷侧纵骨及舷侧纵桁取构件中点距基线的高度，对于底部板架取计算构件的中点距基线的高度的平均值。二、其它甲板和平台设计计算载荷1、其它甲板和平台设计计算载荷船体甲板或平台局部强度计算还应考虑以下计算载荷，并取所有这些载荷的最大载荷作为甲板或平台局部强度的计算载荷。①上甲板遮蔽部分以下不考虑破损水压头的下层甲板和平台的局部强度计算载荷取为21ppp式中p—计算载荷(kPa)；1p—固定重物载荷(kPa)；2p—水压力取4.91kPa。②艏艉两端附近甲板和平台上装有重物或板厚大于20mm时，需计算重物或结构因舰艇摇摆面引起的惯性力，具体计算见3.1.6节。③保证舰艇不沉性的甲板，其局部强度计算载荷不应小于破损水压头高，详见3.1.7节。④作为液舱结构一部分的甲板或平台，应取高达舱顶或注入管(空气管)高度的水柱压头作为计算载荷。3.1.3上层建筑局部强度计算载荷上层建筑局部强度计算载荷主要包括航行中飞溅浪花冲击产生的等效水压力以及上层建筑上重物或结构的重力和惯性力，重力和惯性力的计算方法见3.1.6节，下面主要介绍上层建筑各部分结构的等效计算水压头。①对于艏楼、艉楼甲板和第一层桥楼甲板的露天部分及侧壁的计算载荷取9.8△(kPa)，其中△由式(2—2)确定。第一层甲板室甲板露天部分及侧壁的计算载荷按下式计算：)1(9.4Bbp＝式中p——计算压力(kPa)；b——甲板室宽度（m）；B——该处船宽（m），△由（2－2）式确定。所有第一层上层建筑甲板和侧壁的计算载荷均不得小于4.9kPa。②第1层前上层建筑的前壁，其计算载荷应增加到1.5倍的侧壁计算载荷且不小于9.8kPa；第1层后上层建筑的后壁，其计算载荷应增加到1.3倍的侧壁计算载荷且不小于9.8kPa。其余第1层上层建筑端部与侧壁计算载荷相同。③第2层上层建筑侧壁和端壁的计算载荷分别为第1层相应部位规定载荷的75％；第3层及其以上的上层建筑，其侧壁和端部的计算载荷分别为第1层相应部位规定载荷的50％，但均不得小于4.9kPa。④第2层及其以上的上层建筑甲板，露天部位计算载荷取4.9kPa，遮蔽部分计算载荷取2.94kPa。§3.3船体骨架的带板一、带板的概念：船体结构中绝大多数骨架都是焊接在钢板上的，当骨架受力发生变形时，与它连接的板也一起参加骨架抵抗变形。因此，为估算骨架的承载能力，也应当把一定宽度的板计算在骨架剖面中，即作它的组成部分来计算骨架梁的剖面积、惯性矩和剖面模数等几何要素，这部分板称为带板或附连翼板。二、带板的计算（1）我国《海船规范》规定：安装在平板上的主要构件带板的有效面积为：fbtA10式中3/2)/(3.0blf（cm2），但不大于1；b—主要构件支承面积平均宽度，m；l—主要构件的长度，m；tp—带板的平均厚度,mm。（2）中国船舶检验局颁布的《内河钢船建造规范》（1991）（以下简称《河船规范》规定：强骨材带板宽度取其跨度的1/6，即，但不大于负荷平均宽度亦不小于普通骨材间距。§3.4典型船体结构的局部强度计算一、船底结构的强度计算船底纵桁应力要与总纵弯曲应力合成（见图2-19），此时船底板架的计算载荷应取相应的总纵弯曲计算时的载荷状态和波浪位置的水头高度。船底板架计算水头为舷外水压与货物反压力之差值。1．船底外板的强度计算力学计算模型：受均布水压力作用的船底板，一般可作为四周刚性固定的刚性板来计算。（1）对于横骨架式板格（见图3-14(a)），若c/s＞2，则长边中点（2点）的最大应力（沿船长方向）可按下式计算：2)(5.0tsqx板中点（1点）沿船长方向的应力为：2)(25.0tsqx式中q—水压力，N/mm2；s—肋骨间距，mm；t—板厚，mm。（2）纵骨架式板格（见图3-14(b)），若s/b＞1.5～2.0时，可按下式计算：短边中点沿船长方向的应力：2)(343.0tbqx板中点沿船长方向的应力：2)(075.0tbqx长边中点沿船宽方向的应力：2)(5.0tbqy式中b——船底纵骨间距，mm。船底板的许用应力，在板中点处可取Y8.0][，在骨架处[]≤0.9y（为材料屈服极限）。2．船底纵骨弯曲应力计算力学计算模型：船底纵骨由肋板支持（参见图6-12），由于纵骨在结构上以及所承受的载荷对称于肋板，可以把纵骨当作两端固定在肋板上的单跨梁计算（见图3-2），其支座剖面和跨中的弯矩按下式计算：1220qbaM2421qbaM式中b—纵骨跨距；a——纵骨间距；q——载荷强度，分别取中拱和中垂时的水压力纵骨弯曲应力为：WM3式中W——纵骨自由翼板或带板的剖面模数，cm3。3．船底板架计算船底一般都是由多根交叉构件和很多主向梁组成的板架。对于横骨架式板架，主向梁（实肋板）承受肋板间距范围内的荷重，交叉构件只承受节点反力；对于纵骨架式板架，载荷通过纵骨传给实肋板，交叉构件也只承受节点反力，如图3-15所示。多根交叉构件板架的计算可采用船舶结构力学中介绍的近似方法——主向梁节点挠度选择法。对于舱长很短的船底板架（例如，舱长与板架计算宽度之比小于0.8时），为确定这种板架中桁材的弯曲应力，可将中桁材当作单跨梁处理。现分析如下：支座剖面处弯矩、跨长中点处弯矩为对于边长比等于或大于0.8的板架，可按下述近似公式计算：QlM121012110QlMQlM241124121QlM813BQMqclQqaBQ式中，1、2、3——系数；Q—作用在中桁材上的载荷；Q1—作用在肋板上的载荷；q—板架的载荷强度；c—纵桁间距；l——纵桁跨度；a——肋板间距；B——肋板跨度。§3.3船体局部强度校核衡准船体局部强度计算的军用标准体系对计算载荷(3.1节内容)和强度校核衡准(本节内容)提出了较详细和明确的要求，而对内力计算方法并不给予严格限制，允许设计人员根据需要可采用结构力学的理论解法，也可采用有限元法进行数值计算分析。船体局部强度标准主要与结构类型和载荷类型有关，从结构类型可分为板的强度标准和骨架强度标准；从载荷类型可分为与最大设计计算水压力相关强度标准、与经常性载荷相关强度标准以及与偶然性动载荷相关强度标准。一、板的局部强度校核衡准（一）与经常性载荷相关的板的强度标准经常性载荷是指平时就以该载荷大小作用于船体的载荷，如重物的重力、水舱的水压力(计及舱顶)等，具体规定如下：当甲板板与平台板按承受固定重物载荷作为计算载荷时，其许用正应力取为S6.0式中S—材料屈服强度(MPa)。对用作隔离相邻舱的舱壁板，计算水压仅计及舱顶时，其支座剖面处的许用正应力取为S80.0（二）与最大计算水压力相关的板的强度标准由船体局部强度计算而专门规定的最大计算载荷，如船体底部、舷侧、甲板和上层建筑规定的考虑船体升沉与上浪影响的计算水压力，舱壁承受的破损水压力以及计及空气管和注水管高的液舱水压力等。该计算压力属于出现机会较高的偶然性载荷，其强度标准的具体规定为：S80.0舱壁板按有限刚性板计算时，支座剖面计算正应力一般可不作限制，即许用正应力可大于S，而跨中剖面处的许用正应力为0.80S。（三）与偶然性动载荷相关的板的强度标准偶然性动载荷(等效载荷)主要有艏部砰击水压力和碎冰计算载荷，其对应的强度标准为：舰首0.35L区域内的底板、舷侧板按艏部砰击水压力及绝对刚性计算时，其许用正应力为S90.0舷侧抗冰强度计算时的舷侧板许用正应力为支座处S跨间S80.0二、骨架局部强度校核衡准（一）与经常性载荷相关的骨架强度标准《舰船通用规范》规定，当甲板和平台按承受固定物载荷作为计算载荷，按刚性固定在甲板横梁上受均布载荷梁来计算甲板纵骨和平台纵骨强度时，或按单跨梁、连续梁和交叉构架计算甲板横梁、纵桁以及板架强度时，其许用正应力和剪应力[]分别为s6.0s34.0当所校核的甲板骨架和平台骨架处于液舱底部，并按高达舱顶的压头作为计算载荷时，其许用正应力和剪应力仍由上式确定。另外，液舱舱壁扶强材或桁材按高达舱顶的压头