总纵强度

总纵强度船舶总纵强度的计算总纵弯曲应力静置法假使船舶以波速在波浪的前进方向上航行，此时船与波的相对速度为零。这样就可以认为船体是在重力和浮力作用下静平衡于波浪上的一根两端完全自由的直梁。由于重力和浮力沿船长的分布规律并不一致，故两者在每单位船长上的差额就构成作用在船体梁上的分布载荷。船体梁在这个载荷作用下将发生总纵弯曲变形并在船体梁断面上产生剪力和弯矩。作用在船体断面上的弯矩MSWMMMSM船舶在静水中的弯矩，在既定船型时，只与重量及其沿船长的分布有关WM船舶静置在波浪上的波浪附加弯矩，与船型及波浪要素有关在计算总纵弯矩时，波形取坦谷波，计算波长取船长，波高随船长而变化取两种极端状态中拱状态---波峰在中，波谷在首尾，此时船中部浮力较大，首尾处浮力较小中垂状态---波谷在中，波峰在首尾，此时船中部浮力较小，首尾处浮力较大装载状态对于静水弯矩的影响是主要的满载：出港、到港最不利的装载情况压载：出港、到港船梁内产生的弯曲正应力为：IMZWM式中:σ－总纵弯曲正应力；M－总纵弯曲力矩；W－剖面模数；I－船梁横剖面对中和轴的主惯性矩；Z－纵向连续构件离中和轴的距离。定义船体抵抗纵向弯矩剪切载荷的能力称为总纵强度,它是船舶最基本的强度.也是船体强度校核的主要方面。本节要点1.船体结构的受力和传递过程2.等值梁理论3.船体剖面要素的计算根据第七章所学，可以求得船体的总纵弯矩和剪力，然后就可以按照如下公式计算船体总纵弯曲正应力，以便进行强度校核。MZI其中：——总纵弯曲正应力M——计算断面上的弯矩I——横断面绕水平中和轴的惯性矩Z——计算应力点至中和轴的距离但是这种方法是不够完善的，原因有以下两点：1.没有考虑构件的稳定性。•稳定性问题在以后的章节讨论2.没有考虑船体处所的复杂受力状态。•复杂受力状态进行下述分析船体结构是由许多部件组成，这些部件各自承担着一定的作用。直接承受外力船体构件承受别的构件传递力现以两种典型结构形式的板架为例，进行船体结构的受力和传力过程分析。横骨架式板架纵骨架式板架为讨论方便，假设船底板架上只作用着水压力。板架的支承周界（横舱壁及舷侧）承受骨架传递的水压力也承受甲板上的荷重骨架（纵骨、肋板以及船底纵桁等）承受外底板传递的水压力外底板直接承受水压力传力过程如下图所示：两种船底板架的传力过程由于构件相互连接，起作用很是复杂，以纵骨架式船底板为例进行受力分析：外板水压力纵骨肋板弯曲变形承受水压力产生弯曲应力随纵骨弯曲产生弯曲应力水压力纵向构件的弯曲应力以此类推：外板中的弯曲应力板的弯曲应力纵骨弯曲应力板架弯曲应力总纵弯曲应力船体构件承受多种应力，产生多种应力的工作特点其变形特征如下图所示：按照上述分析，根据纵向构件在传递载荷过程中所产生的应力种类，把纵向强力构件分为四类：1.只承受总纵弯曲的纵向构件，如不计甲板荷重的上甲板，其应力记为2.同时承受总纵弯曲和板架弯曲的纵向构件，如船体纵桁材腹板，其应力记为112纵向强力构件分类3.同时承受总纵弯曲、板架弯曲以及纵骨弯曲的纵向构件；或是承受总纵弯曲、板架弯曲以及板的弯曲（横骨架式）的纵向构件，如纵骨架式中的纵骨或横骨架式中的船底板，其应力记为4.同时承受总纵弯曲、板架弯曲、纵骨弯曲及板的弯曲的纵向构件，如纵骨架式中的船底外板，其应力记为1231234四类构件如图所示：以上各种弯曲，除总纵弯曲外均称为局部弯曲。由上分析可知，船体纵向连续构件在总弯曲中所受到的正应力，可以称为总合正应力，记为=+总合总合1局部总弯曲正应力局部弯曲正应力234对不同的构件所包含的应力数目是不同的局部该公式表示任何构件所受到的总合正应力。方法一按许用应力校核许用应力就是在船体结构设计时预计的各种工况下，结构构件所容许承受的最大应力值。许用应力值通常小于构件材料破坏时的极限应力值或结构发生危险状态时材料所对应的极限应力值，以保证强度有足够的储备。总纵强度的校核内容(1)总合正应力校核对于不同构件，其不同，许用应力也有所不同。1=+局部总合局部方法二按剖面最大承载能力校核就是求出剖面边缘的极限弯矩，记做，而与M（总纵弯矩）之比值应满足：值表示船体结构承受过载能力的大小，对于不同的船舶，其值有不同的规定。jMjMj0MM（允许的过载系数）0为了应用梁的弯曲应力公式来计算船体总纵弯曲应力，就必须对空心薄壁的船体梁作一个假设——等值梁假设，假设船体是一根等值等值梁。所谓等值梁，是指在抵抗总纵弯曲方面与船体具有相同抵抗能力的一种梁，也就是与船体等效的一种梁。二等值梁假设等值梁的剖面可以把船体剖面中所有参与抵抗总纵弯曲的构件，在保持其高度和面积不变的条件下，假想地平移至船舶中纵剖面附近，并对称地构成一个梁的剖面。这个虚拟的实心剖面的梁就是空心薄壁船体梁的等值梁，如下图所示。于是，船体剖面上纵向连续构件的总纵弯曲应力就可以按梁的弯曲应力公式计算：MZI由上面公式可知，船体剖面上的应力呈线性分布，如图所示。对于一般船舶，中和轴距船底比较近，因此上甲板是离中和轴最远的构件，其弯曲正应力最大。在船舶强度计算中经常把弯曲应力公式化成下列形式：式中：称为船体剖面模数它是表征船体结构抵抗弯曲变形能力的一种几何特性，也是衡量船体强度的一个重要标志。显然，当弯矩一定时，最小剖面模数越大，则最大应力越小。M=MZIWIWZ计算船体剖面模数时，首先要确定哪些构件能够有效地参加抵抗总纵弯曲变形，亦即哪些构件可以计入等值梁计算剖面。根据一些理论分析和试验结果，可以得出如下一些计入等值梁的条件和规定：构件计入等值梁的条件1.纵向连续并能有效地传递总纵弯曲应力的构件应计入，船中部0.4—0.5船长区域内的纵向连续元件，如上甲板、外底、内底板、纵桁、纵骨以及符合上述要求的其他构件，计算剖面模数时均应计入，这些构件称为纵向强力构件。但有些纵向构件由于形状和构造的关系，不能有效地传递总纵弯曲应力，则不能计入。2.中部区域只占部分船长的非连续构件（称为中间构件），例如上层建筑和侧壁等，它们参加抵抗总纵弯曲的程度取决于它们本身的构造和长度。根据上层建筑强度理论分析，凡长度超过船长的15%，且不小于本身高度六倍的上层建筑以及同时受到不少于三个横舱壁或类似结构支持的长甲板室，可以认为其中部是完全有效地参加抵抗总纵弯曲的。这些构件的端部，由于抵抗总纵弯曲的程度较小，则应按照下图扣除斜线部分的构件剖面积。相邻舱口之间的甲板，同样可视为间断构件，因此若计算剖面选在下图的斜线区域内时，则斜线部分的甲板面积应扣除。3.强度计算中规定，凡甲板开口宽度超过甲板宽度的20%者均应扣除。纵桁腹板上的开口，如大于腹板高度的20%，则应扣除开口部分。至于纵向连续构件上的个别开口，如人孔、舷窗等，计算剖满模数时不必扣除。经过总结，计入等值梁的条件最终如下表：纵向强力构件上甲板、外底、内底板、纵桁、纵骨等应完全计入等值梁中间构件上层建筑甲板、舱口间甲板、侧壁等扣除相应的构件剖面积后再计入开口构件甲板开口，纵桁腹板开口等超过构件尺寸20%则扣除开口部分；个别小开口构件不扣除在参加抵抗总纵弯曲变形的构件中，有些构件采用不同材料时，则应先将其换算成相当于基本材料的断面积后，再进行剖面要素计算。若被换算构件的剖面积为，应力为，弹性模量为，与其等效的基本材料（如软钢）的剖面积为a，应力为，弹性模量为E，根据变形相等，承受同样的力P可得：iaiiE基本材料的换算PP=iiiiEEaEaE或因此，计算剖面积时，只要把被换算构件的剖面积乘以两种材料的弹性模量之比即可。板的自身惯性矩则为：2012iiiEahEiiiEaaEiiEE故：当确定了船体剖面中计入等值梁剖面的各构件的位置、尺寸后，便可以计算等值梁剖面几何要素——剖面积、剖面对中和轴的惯性矩和剖面模数。剖面几何要素的计算，通常用下表进行。三总纵弯曲应力的第一次近似计算船体剖面几何要素计算表12345678构件编号构件名称构件尺寸构件剖面积构件距参考轴距离静力矩对参考轴惯性矩自身惯性矩————mmm123··2iiAZiiAZ0iiZiA2cm2cmm22cmm22cmm1A1B1C由于船体结构的对称性，所以只需要对半个剖面进行计算。为了简化计算，可以把距中和轴距离相等，尺寸相同的构件合并为一个，在表中只占一行。选择半个剖面计算计算过程如下：参考轴通常选取在e=（0.4-0.5）型深处，且Z轴向上为正。分别求出各组构件的剖面积，距参考轴的距离，静力矩和惯性矩，对于高度较大的垂向构件，如舷侧外板、纵舱壁板、纵桁腹板等，还要计算其自身惯性矩，水平构件的自身惯性矩一律忽略不计。通过上表计算后，记:iAiZiiAZ2iiAZ0i1iAA1iiBAZ210iiCAZi由此，剖面中和轴距参考轴的距离为：利用惯性矩的平行轴公式及叠加原理，便可求得整个船体剖面对水平中和轴的惯性矩为：111()iiiAZBemAA222211111112()2()()BICeACcmmA最后就可求得每一构件的剖面模数，即：式中：——构件至中和轴的距离，iW111iiIWZ1iZ11iiZZe计算了船体等值梁剖面要素后，便可求出船体剖面上每一构件中所受的总纵弯曲应力的第一次近似值，记为，其计算公式如下：式中：M——校核剖面所在舱段内总纵弯矩的最大值，可以根据船舶的装载手册获得。111AIW、、11()i2111()(/)iiMNmmW若甲板和船底距中和轴最远的距离分为，则甲板和船底的剖面模数分别为：通常，甲板的剖面模数比船底的剖面模数小，所以有时也称甲板剖面模数为船体剖面的最小剖面模数。在我国《钢制海船建造规范》中规定以该模数作为对船体结构总强度的要求。dZjZ和jjIWZddIWZ下面根据一个计算实例来详细讲解如何进行总纵强度的第一次近似计算。1.选取部位：某船船中附近112号肋骨剖面。2.参考图纸和计算书：基本结构图典型横剖面图弯矩和剪力计算书算例3.计算弯矩：波峰时M=654700KNM波谷时M=-245700KNM4.船体材料：计算剖面的所有构件均采用高强度低合金钢材。（即不需要基本材料的换算）5.112号肋骨剖面参加总纵弯曲的纵向构件共39个，其尺寸和编号见下图。计算中取比较轴距基线6m处。6.剖面几何要素及应力计算见下表：构件编号构件名称构件尺寸构件剖面积距参考轴距离静力矩（4）X（5）惯性矩（5）X（6）构件自身惯性矩至中和轴距离总纵弯曲应力中拱中垂(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)(8)(9)(10)(11)1舱口围壁50X3301658.161346.410986.6——8.0231075-4032舱口圆钢40X8025.158.16205.21674.4——8.0231075-4033舱口壁板16X1030164.87.6951268.1975814.577.5581013-380.................................39平板龙骨20X900180-6.01-10816501.6——-6.147-8243098493.031160.6243888.1+542.34=244430.44iAiZ'iZ中和轴距比较轴距离：所以中和轴距基线为6.137m，剖面对水平中和轴的惯性矩剖面上的应力各构件的应力具体见表格的（10）和（11）项。11160.60.1378493m2221(1160.6)2(243888.1542.34)4885448493Icmm32110/iiMZkgfcmI48休息时间