浙江海洋学院：船舶强度与结构设计

船舶强度与结构设计第一章船舶静置在波浪上的外力计算§1-1概述一、一、计算模型（船体梁响应、工程梁响应、带支座的船体梁模型、不带支座的船体梁模型）中垂中拱坦谷波浮力压载满载重量船舶载荷)(中垂中拱船体梁响应船在静水中处于平衡位置时，必需满足两个条件：作用在船体上的浮力等于船的重量；重心和浮心在同一铅垂线上。（符号与坐标的选择）。二、二、求解思路q(x)=w(x)-b(x)w(x)（重量曲线）b(x)（浮力曲线）按梁的弯曲理论ZIM式中M—计算断面上的弯矩；I—船体断面相对水平中性轴的惯性矩；Z—计算应力点至中性轴的距离。§1-2载荷与剪力、弯矩的基本关系一、平衡关系式ZIMLdxxwW0)(LLgdxxwdxxwxx00)()(LdxxbB0)(LLbdxxbdxxbxx00)()(LLdxxbdxxw00)()(LLdxxxbdxxxw00)()()()()(xbxwxqLdxxqxN0)()(LLLdxxqdxxNxM0200)()()(b(x)（浮力曲线）w(x)（重量曲线）二、外力求解通过截面法来求解船体梁上的内力。三、重量曲线的绘制（数字法）—重心纵坐标如何求解合力矩定理1、平面汇交力系的合力对于平面的任一点之矩等于所有各分合力对于该点的代数和。2、平面任意力系的合力对作用而内任一点的矩等于力系中各力对同一点的代数和。（合力矩定理）§1-3重量分布估算一、重量分类船体重量是由空载重量和货物重量共同组成的，因此可用空载重量曲线和货物重量曲线组成各种给定装载状态下的船体重量曲线。二、重量曲线的绘制空载重量曲线如何绘制？货物重量曲线如何绘制？三、重量、重心的数值估算§1-4浮力分布估算一、一、浮力成因二、二、邦戎曲线与浮力曲线三、三、纵倾调整首吃水：RxxxLddbgfmf)2(尾吃水：RxxxLddbgfma)2(注意到实船的R》KB，故在上式中近似取R-KB～R。确定首尾吃水之后，利用邦戎曲线求出对应于该吃水线时的浮力曲线。于是可计算出排水体积1V和浮心纵坐标1bx的第一次近似值。需判断：%1.0VVVi%05.0Lxxbig若满足上述条件，则纵倾调整完毕；否则，需进行下一次调整时船舶将上浮或下沉VVVi,直到调整满足条件为止。§1-5载荷、剪力、弯矩曲线一、一、载荷曲线)()()(xbxwxqLLLBWdxxbdxxwdxxq0000)()()(LbgLLxBxWdxxxbdxxxwdxxxq0000)()()(b(x)（浮力曲线）w(x)（重量曲线）二、二、剪力曲线LdxxqxN0)()(三、弯矩曲线LLLdxxqdxxNxM0200)()()(由于船体两端是自由端，因此，首尾端点处的剪力和弯矩为零，亦即剪力和弯矩曲线在端点是封闭的。同时，由于载荷、剪力和弯矩之间有下列微分关系)()(xNdxdMxqdxdN所以剪力曲线与纵轴相交处弯矩为极值；端点处剪力为零，所以弯矩曲线与纵轴在该点相切。这些性质均可作为检查计算结果的依据。若不满足条件，需进行修正。§1-6波浪附加弯矩计算一、计算模型由于船型多由船舶性能和使用要求决定，因此船舶的静波浪弯矩，其大小主要决定于波浪要素及波浪与船舶的相对位置。1、1、波浪要素选取波长、波形及波高。目前最为广泛应用的是坦谷波理论。根据这一理论，二维波的剖面是坦谷曲线形状。坦谷波曲线形状的特点是：波峰陡峭，波谷平坦，波浪与曲线上下的剖面积不相等，故称滑坦谷波。静波浪静水(1)(1)波长的选取在船长范围内将有几个波峰和波谷出现，同时，波高也较少，因此相对到的浮力分布并未产生明显的变化；反之若波长》船长L，此时虽然波高很大，但由于船舶只位于部分波浪长度上，在船长范围内的波浪表面，实际上和静水面相差不多，考试相对于静水面的浮力分布也无明显变化。所以，这两种情况都不会引起过大的波浪弯矩。计算分析表明，当船体梁舶静置在波浪上时，在波长将大于船长时才得到紧大的波浪弯矩；但此时的弯矩与波长等于船长时的弯矩相差不大，仅差1%。所以，在实际计算时，取计算波长等于船长。（并且规定按波峰和波谷在船中两种典型状态计算）。因此,在船舶强度计算时，波长=船长。(2)(2)船与波相对位置选取当船舶静置在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。当波峰或波谷在船中时，浮力相对于静水线的改变最为明显，因此在船中剖面会产生最大的波浪弯矩，这是可以判断出来的。（3）计算波高的选取波长=船长静波浪静水按有关规定或强度标准选取。bw(x)bw(x)bs(x)b(x)/rbs(x)/rbw(x)/r邦戎曲线dddd二、波浪附加剪力和弯矩1、平衡位置的确定（1）平衡位置调整原因S下：坦谷波波轴线以下的面积。S上：坦谷波波轴线以上的面积。因S下S上同时，船中比两头肥胖。因此，浮力比静水中小。中垂状态这种船舶为了得到新的平衡，将下沉ξ值；另外，首尾不对称，还要发生纵倾变化。而当船中在波峰时，则船舶要上升一些。εζWAiWiWBiBiCiAiXiCiAiAACCLw（2）平衡位置调整步骤确定船舶在波浪上平衡位置的方法一般有逐步近似法和直接法。逐步近似法——小型船舶，内河舶。直接法——麦卡尔法。该方法的假定邦戎曲线在水线附近为直线。假下船舶静置在波浪上，尾垂线比静水时下沉ξ0（下沉为正），纵倾角变化ψ（首下沉为正），则xx0iAiBiAiiAiCi)(0iAiBiAiCix利用排水量和浮心位置与静水中相等的条件，则VdxxdxdxxLAiBiLA)()(000LxVdxLxxdxdxLxxbLAiBiLA)()(000其中'20)(dxxLA'40)(dxLxxLA'60)]()([dxxxLAB'70)]()([dxLxxxLAB'8220)]()([dxLxxxLAB'7'260VL‘LVxLb'8'470‘第二章总纵强度计算§2-1船体总纵弯曲应力第一次近似计算一、危险剖面的选择危险剖面：可能出现最大弯曲应力的剖面，由总纵弯曲力矩曲线可知，最大弯矩一般在船中0.4倍船长范围的，所以计算剖面一般应是此范围内的最弱剖面—既有最大的船口或其电开口的剖面，如机舱、货舱开口剖面。除此之外，一般还要对船体骨架改变处剖面，上层建筑端壁处剖面，主体材料分布变化处剖面，以及由于重量分布特殊可能出现相当大的弯矩值的某些剖面。二、纵向强力构件1、1、纵向强力构件纵向连续并能有效的传递总纵弯曲应力的构件。船中0.4~0.5倍船长区域内连续的纵向构件，上甲板板、外板、内底板、纵桁、中内龙骨等都是纵向强力构件。船中非连续构件参加总纵弯曲的有效性取决于本身的长度及与主体的连续情况。（1）、构件连续长度≥3h计算剖面船口纵围板、纵桁等纵向构件可计入船体梁剖面计算中，但除外机座纵桁和其它加强纵桁不应计入。（2）、构件长度L%15的上层建筑。（3）、不少于三个横舱壁或类似结构支柱的长甲板室。2、2、间断构件（1）、相临舱口甲板。（2）、纵桁板上的Hh%20的开口。三、剖面模数及剖面要素计算1、1、不同材料剖面面积折算根据变形相等的条件，承受相同的力P即在计算时，可以船体梁仅由一种基本材料构件，而把与基本材料弹性横量E不同和构件剖面面积乘以两材料的弹性横量之比EEi，同时又不改形心位置。因此，对薄壁构件，相当于只对板厚作上述变换。2、2、剖面要素的计算步骤（1）、画出船体计算剖面的剖面图并编号（i）（2）、选定参数轴—离基线（0.45～0.5）型深处。确定形心至参数轴距离（iZ）。（3）、计算剖面积（A）、静力矩（B）、惯性矩（C）。iAAiiZAB)(02iZACii（4）、求中和轴至参考轴的距离（）、任意构件至中和轴的距离（'iZ）ABiiZZ'（5）、求对中和轴的惯性矩（I）)(2)(222ABCACI（6）、若甲板和船底距中和轴最远的距离分别为jZ和dZ，则甲板和船底的剖面模数分别为jjZIWddZIW通常甲板的剖面模数比船底的剖面模数（djWW），所以有时也称jW为船体的minW。在我国“钢质海船建造规范”中规定以jW作为最船体结构总强度的要求。3、3、总纵弯曲应力（i）计算'iiZIM§2-2船体构件的工作特性一、有效性船舶航行中，参加抵抗总纵弯曲的构件是否全部有效地工作呢？第一次近似计算法在计算中认为参加抗总纵弯曲的构件是全部有效地工作的。但船舶航行中的结构损坏经验和实船强度试验结果表明，当船体受到的外载荷增大到一定程度时，参加抵抗总纵弯曲的构件是不能完全有效地参加工作的，特别是有效柔性构件（主要是板材），在受到压力作用时发生皱折现象，从而使构件中的应力分布发生变化，使得与之相连的刚性构件（主要是骨架）中的应力大大扣高，有可能导致结构的破坏。二、多重性只说明外板多重性，并将说明纵向强力构体分为四类。a总纵弯曲、b板架弯曲、c纵骨弯曲、d板的弯曲。构件类型承受弯曲部位第一类构件a上甲板（不计自重）第二类构件a、b船底纵桁第三类构件a、b、c纵骨（纵骨架式）船底板（横骨架式）第四类构件a、b、c、d船底外板（纵骨架式）§2-3杆及板的稳定性一、杆的稳定性在强度计算中，纵向骨材的理论欧拉应力，按两端自由支持的单跨压杆的欧拉公式计算：)(22tbfaEieE若crEsE21sEscrsE)41(21二、板的稳定性1、1、横骨架式甲板板：2222)1()100(19csstcr船底板和内底板：2222)1()100(6.19csstkcr舷顶列板：])4(143.0)(426.01[)100(6.192222ssscrbsbsbsst舷侧外板：2)100(19stcr2纵骨架式2)100(76btcr3舷侧外板的剪切稳定性2)100(102stcr§2－4船体板折减系数的计算一、剖面折减的概念当船体总纵弯曲时，纵向骨架梁在计算载荷下是不允许丧失稳定性的，因此在船体构件中只有板是丧失稳定性的。第一次近似计算求出总纵弯曲应力之后，若所得压应力大雨相应构件的临界应力，表明构件失稳。构件失稳后构件上作用的应力发生了变化。·刚性构件与柔性构件·折减系数的定义'AAicrAAicr'AAicr'二、剖面折减系数的计算在强度计算时，最有可能丧失稳定性的部位是甲板和内、外底板，因此只考虑甲板和内、外底板剖面折减系数的计算问题。·甲板1cr·内、外底板12cr§2－5总纵弯曲应力第二次近似计算需要对柔性构件进行面积折减2)1()1()1()1(iiiiiiiiiiiiZIACBZAAAAA则故第二次近似计算时的剖面积，静矩，惯性矩分别为CCCBBBAAA111修正后的船体剖面积和轴至参考轴的距离ε1，及剖面惯性矩I1111ABiZIM11)(212111ABCI任一构件距中和轴的距离为如果刚性构件中第二次近似计算的总纵弯曲应力值与第一次近似计算值之差不超过5％，则可用第二次近似值进行总纵强度校核。否则应进行第三次近似计算。如果还不能满足条件，则说明该结构不合理。§2-6局部弯曲应力计算一、一、船底板架弯曲应力计算船底板架一般作为交叉梁系结构。·几何尺寸B：板架宽度取肋板组合剖面中和轴与内底板（外底板）相交点之间的距离；l：舱长；桁材：C)8~6min(，llbe肋板：a)6min(，Bbe·载荷船底外板上的水压力和舱内货物之差。对于油船，计算波谷在中时，应考虑满载；波峰在中时舱内空载。·约束纵向：刚性固定；舷向：自由支持。※简化情况