5船体结构规范法设计

船舶强度与结构设计第五章船体结构规范法设计5.1船体结构规范法设计的基本考虑5.1.1船舶建造规范的产生、发展和作用18世纪40年代以前，所有的船舶都凭经验建造，也经历了带有巨大损失的尝试。后来，通过对建造实绩和航行经验的总结与提高，逐渐形成了造船所应遵循的规范。规定建造规范的初步措施是俄罗斯政治家——彼得大帝作出的，他于1723年颁布了“关于按照新的船样建造河船”的条例。在此条例中规定了船体的基本构件。随着产业革命，贸易也发达起来，船舶建造愈来愈多，轮船保险商感到各船舶的吨位、建造日期、建造材料及船舶所有人等资料有集中的必要。于是1760年成立了世界上第一个船级机构——英国劳氏船级协会。以后，各航运事业发达的国家都相继成立了船舶协会。起初，船级协会的主要工作是制订船舶登记册，载有关于入级船舶的船体和轮机状况。直到1835年才出现第一本船级协会颁布的《建造规范》。该规范系英国劳氏船级协会出版，适用于一百七十英尺长、一百总吨左右的木船，结构尺寸按吨位数字决定。自那以后，随着造船材料、构件连接方式及船体强度理论的发展，建造规范也经历着不断发展(例如，1855年、1888年相继出现了《铁船规范》、《钢船规范》)和逐步完善的漫长过程。目前，世界上船级社很多，其中比较主要的有以下几个：中国船检局(中国船级社)(CCS)美国船检局(ABS)英国劳氏船级社(LR)德国劳氏船级社(GL)日本海事协会(NK)法国船级社(BV)挪威船级社(DNV)意大利船级社(RI.N.A)俄罗斯船舶登记局(RS)船级社规范监督船的建造，并允许船舶正式“入级”，给它们所登记的船办各种国际协定所要求的证书；此外，还对使用中的船舶作定期检查，以确定这些船是否仍保持在“级”内。各主要船级社在世界各地都有办事处，几乎在各港口都能找到它的代表。建造规范也为航运、造船、相关的制造业和保险业服务。经过“入级”登记的船，符合公认的健全的建造标准，这就等于告诉运货人说，他将他的货物交给已经入级的船承运时，他并没有冒险脱离实际的风险；同时，保险公司有被请求给船保险时，船的入级有助于保险公司判断隐含着的危险性质。90船舶强度与结构设计5.1.2规范法设计的基本步骤按规范进行结构设计的一般流程如图5-1所示。首先，根据对母型船的调查研究和所设计船的特殊要求，分析所设计船的船体强度要求，选择合适的建造规范。然后，根据型线图和总布置图，绘制中剖面图、基本结构图和肋骨线型图等草图，并进行结构构件的初步布置。昀后，按规范计算船体主要构件的尺寸，边计算、边绘图、边完善初始的结构布置方案。其中反复必不可少，并且要经常与总体设计师、轮机设计师等反复协商，以求达到合理的统一。母型船设计船的特殊要求船体强度建造规范主要构件计算书结构的布置总布置图中剖面图基本结构图肋骨线型图型线图图5-1规范法设计的一般流程确定结构尺寸的一般顺序是，首先选择合适的结构型式，确定肋骨间距(与总体设计师协商决定)。然后，可按外板、甲板、船底骨架、舷侧骨架、甲板骨架及支柱、舱壁、首尾柱、首尾结构、上层建筑及甲板室、机炉座、总纵强度校核等顺序，查规范公式进行计算，并昀后选定结构尺寸，此时，反复也是不可避免的。例如，计算内河船强力甲板厚度时，需要纵向连续的甲板骨架尺寸，而确定甲板骨架尺寸时又需要甲板厚度(作为骨架的带板)的资料，同时还要校验船体剖面模数是否满足纵向强度的要求。此外还要注意，规范规定的尺寸是保证船舶安全可靠的昀低标准，昀后选定的尺寸还要根据船舶的实际使用要求而适当调整。5.1.3建造规范的选用如今规范的种类繁多。例如，按船舶的航行区域有：海船入级与建造规范和内河、湖泊91船舶强度与结构设计船舶建造规范；按船舶类型有：商船、渔船、水翼船、气垫船、超高速船、军舰等建造规范或规则。因此，在结构设计之前，首先要根据设计船的建造材料、航行区域及类型等选择合适规范。规范一经确定，还要检验所设计船是否满足该规范的适用范围。规范基本上是船舶建造经验和航行经验的总结，也就是说，当人们对船在海上受到的外力不完全了解的情况下，衡准船舶可靠性的唯一准则是把要衡准的船舶与已在航运中经过实践考验的同类船相比较。因此，现有规范不可能脱离已有的造船实践，这也是应用现有规范的昀大局限性。一般规范都在船舶尺度与主要尺度比值和船型及船体结构的型式两大方面规定了规范的适用范围。例如，我国《海船规范》[1]适用于船长大于等于65m的焊接结构的钢质海船,且主尺度比值的范围为:L/B5、B/D≤2.5及Cb≥0.6。关于船舶主要尺度的量度，各规范都有严格的定义。我们知道，作用在船体上的波浪载荷主要与船舶的线型及主尺度有关。当船长及主尺度比限定后，便可对作用于船体结构的波浪载荷进行统计分析，并建立起相应的计算公式。一个世纪以前，较小的铁船和钢船的长深比L/D是相当小的，因此不需要规定上限。但是，随着船长的增大，如果型深不降低，将造成容积的浪费，但型深太小又不能到大洋去经受波浪的考验。同时，L/D值也是衡量船体梁刚性的一个粗略量度，在允许的范围内，一般来说船体结构的强度与刚度具有良好的配合。至于B/D的值，一般反映船体结构的横向强度，若B/D超过规范的范围，则要特别留意横向强度的保证。由于内河船舶所遇到的波浪较小，主尺度比允许达到很大的数值。5.1.4结构布置的一般原则和规定结构合理布置，将直接影响船体结构的强度、重量及工艺性等，必须高度重视。这里，不仅从强度方面考虑应遵循的一些基本原则以便对此有一个总的概念。1.结构的整体性原则在结构设计时，首先应遵循的基本原则是，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。例如，甲板纵桁—横舱壁竖桁—内龙骨或底纵桁，甲板纵骨—横舱壁垂直防挠材—内底纵骨、船底纵骨，肋板—肋骨—横梁，舷侧纵桁—横舱壁水平桁—纵舱壁水平桁等。2.受力的均匀性和有效传递原则结构构件的布置要尽可能均匀，以避免构件规格太多或是造成材料的浪费。此外，结构应保证某一构件承受外力后，能有效地将力传递到邻近的结构构件上，以避免某一单独的结构构件承受外力。例如，支柱的上下端应固定在纵、横强骨架交叉的节点上，并且上下支柱应尽可能布置在同一垂直线上，使支柱所承受的力能有效地传递给甲板及船底结构；当甲板或船底为纵骨架式时，舷侧普通肋骨的端部应以肘板与邻近的甲板及船底纵骨相连；当舷侧采用普通肋骨与强肋骨的交替建造时，一般应设舷侧纵桁，使普通肋骨承受的92船舶强度与结构设计载荷，能通过舷侧纵桁传递给强肋骨。3.结构的连续性和减少应力集中原则构件的布置应力求保证其连续性，尽可能避免构件突然中断。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，纵向强骨架应中断在横舱壁或横向强骨架上，并在横舱壁的另一边，设置至少延伸二个肋距的肘板。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骨架间断，纵向构件中断的剖面彼此至少相距二个肋距，并要特别注意在大开口处的船体剖面上和高度应力集中的区域，绝对不允许中断船体纵向构件。在首、尾由纵向骨架式向横骨架式应逐渐过渡。为减少应力集中，所有船体构件的剖面形状应有平顺的过渡。例如，在甲板、平台、内底板、纵舱壁间断处，应装设肘板或其它结构使剖面逐渐消失；骨架梁腹板高度变化时，应有一过渡区，该区段的长度一般应不小于相邻腹板高度差的5倍。4.局部加强原则在设计过程中，对那些在使用中要承受较大局部载荷的结构则进行适当的局部加强。例如，船首承受波浪砰击区域及尾部承受螺旋桨工作时水动压力处的结构及船上吊杆、桅杆、救生艇架、系缆桩、炮座等与船体相连接处的结构，以及航行冰区的船舶承受冰块挤压和撞击区域的结构，均应作适当的加强。各规范对此均有规定。5.一些基本规定各规范对结构布置都有一些具体规定。例如，《海船规范》、《河船规范》关于散货船的结构布置一些基本规定如表5-1所示。为保证船舶的安全，海船应尽可能从防撞舱壁到尾尖舱壁设双层底。客船当船长自50m至小于61m，至少应自机舱前壁至防撞舱壁或尽可能接近该处之间设双层底；当船长自61m至小于76m时，至少应在机舱以外设置双层底，并应延伸至防撞舱壁及尾尖舱壁或尽可能接近该处；当船长为76m及76m以上时，应在船中部设置双层底，并应延伸至防撞舱壁及尾尖舱壁或尽可能接近该处。另外，内底板应尽可能延伸到船的两侧以盖没船的舭部，客船内底板与外板的交线，在任何地方都不应低于图5-2所示的中剖面处A点的水平面。图5-2客船内底边板的设置要求表5-1序号构件名称海船标准间距Sb=0.0016L+0.5m，且不大于0.7m1肋骨或纵骨间距93船舶强度与结构设计尾尖舱内Sb=0.0016L+0.5m计算值和0.6m的较小者在船端0.05L区域内，上层建筑及甲板室的甲板纵骨或横梁的标准间距Sb应按公式Sb=0.0016L+0.5m计算值和0.6m的较小者B≤9m应在中内龙骨两侧至少各一道旁内龙骨2内龙骨9m≤B＜16m应在中内龙骨两侧至少各二道旁内龙骨B10m两侧至少各一道B＞18m中桁材两侧至少各二道旁桁材,桁材间距一般不大于4m横骨架式在首0.2L内旁桁材间距间距≯3个肋距旁3桁12m＜B≤20m中桁材两侧至少各一道旁桁材材B＞20m中桁材两侧至少各二道旁桁材,桁材间距一般不大于5m纵骨架式在首0.2L内旁桁材间距≯4个纵骨间距任何情况下不得小于h0=25B+42d+300mm,且不小于650mm.其中B为船宽(m),d为吃水(m)双层底高度横骨架式每一肋位设置,其中纵剖面腹板高度h应不小于h=42(B+d)-70mm厚度t应不小于t=0.01h+3mm，但不必大于14mm面板剖面积A应不小于A=4.8d-3cm2单底4实肋纵骨架式板至少每隔4档肋位设置，间距≤3.2m,船长超过90m或肋板高度超过0.9m时,实肋板应设置加强筋,其间距不大于1.5m,厚度与肋板相同,宽度为肋板高度的1/10;横骨架式机舱、锅炉座下、推力轴承座下应每一肋位上设置;横舱壁及支柱下应设置首部0.2L以内应每一肋位设置;双底实肋板5一般不大于3.6m；在机舱至少每隔1个肋位设置，在主机座、锅炉座、推力轴承座下每一肋位应设置；横舱壁及支柱下应设置；首0.2L区域内每隔1个肋位设置纵骨架式距首垂线不小于0.05L而不大于3+0.05Lm对球鼻首，上述距离应自下列各点之一量取，取小者：6防撞舱壁船舶水线以下自首垂线向前延伸部分的长度中点；首垂线前方船长的1.5％处；首垂线前方3m处。5.1.5船体构件的材料级别的钢级船体结构脆断的第一个不幸的信号发生在1942年后期，当时好几艘“自由轮”发生断裂，常常迫使船舶不能航行而必须进行修理。其中断裂常被描述为突然发生的并伴有强烈响声，昀初被作为战争因素的偶然事件处理(有时被认为受到敌人攻击)，而没有立刻认识到是严重的结构问题。“斯堪涅特地”号和“埃索·缅哈顿”号船的断裂事件震动了整个造船界。“斯堪涅特地”号是第一条T2油轮，当它刚完成试航回到船厂泊地，当天晚上10时30分突然在船桥后部处断94船舶强度与结构设计成两截。整条船像一把大折刀，中间凸起，船首和船尾座落在河底的淤泥中。当时天气冷而无风(气温26F，水温40F)，船的静水中拱弯矩0.55MN.m，甲板上的昀大计算拉应力只有68.2MPa,为预计正常工作应力的一半左右。“埃索·缅哈顿”号是“斯堪涅特地”号的同型船，造好才7个月就于1943年3月29日平静天气的条件下，在纽约附近的安波罗海峡折成两段。于是，展开了对船舶断裂的广泛而又深入的研究。直到1944年，人们才重视这样的事实：由于温度的降低(甚至在常温上)，低碳钢的断裂方式也可由“正常的”韧性转变为脆性。此后的大量研究，确定了钢材可根据断裂的起始、扩展和止裂的性质来表征。这导致各船级协会对船体结构用钢的化学成分、热处理、冶炼方式和机械性能提出了更全面的要求。在1959年6月，七国船级协会(美国、英国、法国、西德、日本、挪威、意大利)统一规定了五个等级的船体结构用钢的标准。这五种等级的船体结构用钢的标准。这五种