船体强度与结构设计复习资料.pdf

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1、船体强度与结构设计复习材料绪 论1.船 体 强 度 ： 是 研 究 船 体 结 构 安 全 性 的 科 学 。2.结 构 设 计 的 基 本 任 务 ： 选 择 合 适 的 结 构 材 料 和 结 构 型 式 ， 决 定 全 部 构 建 的 尺 寸 和 连 接 方 式 ，在 保 证 具 有 充 足 的 强 度 和 安 全 性 等 要 求 下 ， 使 结 构 具 有 最 佳 的 技 术 经 济 性 能 。3.全 船 设 计 过 程 ： 分 为 初 步 设 计 、 详 细 设 计 、 生 产 设 计 三 个 阶 段 。4.结 构 设 计 应 考 虑 的 方 面 ： 安 全 性 ； 营 运 适 合

2、性 ； 船 舶 的 整 体 配 合 性 ； 耐 久 性 ； 工 艺 性 ； 经 济 性 。5.极 限 状 态 ： 是 指 在 一 个 或 几 个 载 荷 的 作 用 下 ， 一 个 结 构 或 一 个 构 件 已 失 去 了 它 应 起 的 各 种作 用 中 任 何 一 种 作 用 的 状 态 。第 一 章 引 起 船 体 梁 总 纵 弯 曲 的 外 力 计 算1.船 体 梁 ： 在 船 体 总 纵 强 度 计 算 中 ， 通 常 将 船 体 理 想 化 为 一 变 断 面 的 空 心 薄 壁 梁 。2.总 纵 弯 曲 ： 船 体 梁 在 外 力 作 用 下 沿 其 纵 向 铅 垂 面 内 所

3、 发 生 的 弯 曲 。3.总 纵 强 度 ： 船 体 梁 抵 抗 总 纵 弯 曲 的 能 力 。4.引 起 船 体 梁 总 纵 弯 曲 的 主 要 外 力 ： 重 力 与 浮 力 。5.船 体 梁 所 受 到 的 剪 力 和 弯 矩 的 计 算 步 骤 ： 计 算 重 量 分 布 曲 线 平 p(x)； 计 算 静 水 浮 力 曲 线 bs(x)； 计 算 静 水 载 荷 曲 线 qs(x)=p(x)-bs(x)； 计 算 静 水 剪 力 及 弯 矩 ： 对 积 分 、 二 重 积 分 ； 计 算 静 波 浪 剪 力 及 弯 矩 ： 计 算 总 纵 剪 力 及 弯 矩 ： + 。6.重 量

4、的 分 类 ： 按 变 动 情 况 来 分 ： 不 变 重 量 （ 空 船 重 量 ） 、 变 动 重 量 （ 装 载 重 量 ） ； 按 分 布 情 况 来 分 ： 总 体 性 重 量 （ 沿 船 体 梁 全 场 分 布 ） 、 局 部 性 重 量 （ 沿 船 长 某 一 区 段 分 布 ） 。7.静 力 等 效 原 则 ： 保 持 重 量 的 大 小 不 变 ； 保 持 重 心 的 纵 向 坐 标 不 变 ； 近 似 分 布 曲 线 的 范 围 与 该 项 重 量 的 实 际 分 布 范 围 相 同 或 大 体 相 同 。8.浮 力 曲 线 ： 船 舶 在 某 一 装 载 情 况 下 ，

5、描 述 浮 力 沿 船 长 分 布 状 况 的 曲 线 。9.载 荷 曲 线 ： 在 某 一 计 算 状 态 下 ， 描 述 引 起 船 体 梁 总 纵 弯 曲 的 载 荷 沿 船 长 分 布 状 况 的 曲 线 。10.载 荷 、 剪 力 和 弯 矩 之 间 的 关 系 ： 零 载 荷 点 与 剪 力 的 极 值 相 对 应 、 零 剪 力 点 与 弯 矩 的 极 值 相 对 应 ； 载 荷 在 船 中 前 后 大 致 相 等 ， 故 剪 力 曲 线 大 致 是 反 对 成 的 ， 零 点 靠 近 船 中 ， 在 首 尾 端 约 船 长的 1/4处 具 有 最 大 正 、 负 值 ； 两 端

6、 的 剪 力 为 零 ， 弯 矩 曲 线 在 两 端 的 斜 率 为 零 （ 与 坐 标 轴 相 切 ） 。11.计 算 状 态 ： 指 在 总 纵 强 度 计 算 中 为 确 定 最 大 弯 矩 所 选 取 的 船 舶 典 型 装 载 状 态 ， 一 般 包 括满 载 、 压 载 、 空 载 等 和 按 装 载 方 案 可 能 出 现 的 最 为 不 利 以 及 其 它 正 常 营 运 时 可 能 出 现 的 更 为不 利 的 装 载 状 态 。12.挠 度 及 货 物 分 布 对 静 水 弯 矩 的 影 响 ： 挠 度 ： 船 体 挠 度 对 静 水 弯 矩 的 影 响 是 有 利 的 ；

7、 货 物 ： 自 首 至 尾 （ 或 自 尾 至 首 ） 的 连 续 装 卸 顺 序 ， 将 满 、 空 舱 分 散 且 间 隔 安 排 。13.静 波 浪 弯 矩 的 影 响 因 素 ： 船 型 、 波 浪 要 素 （ 波 形 、 波 长 、 波 高 ） 以 及 船 舶 与 波 浪 的 相 对位 置 。14.坦 谷 波 的 特 点 ： 波 峰 陡 峭 ， 波 谷 平 坦 ， 波 浪 轴 线 上 、 下 的 剖 面 积 不 相 等 。 轴 线 以 下 面 积比 以 上 面 积 大 （ 波 谷 面 积 大 于 波 峰 面 积 ） 。15.静 波 浪 剪 力 和 弯 矩 的 传 统 标 准 计 算

8、 方 法 （ 静 置 法 ） ： 将 船 舶 静 置 于 波 浪 上 ， 即 假 想 船 舶 以 波 速 在 波 浪 的 传 播 方 向 上 航 行 ， 船 舶 与 波 浪 处 于 相 对静 止 状 态 ； 以 二 维 坦 谷 波 作 为 标 准 波 形 ， 计 算 波 长 等 于 船 长 ， 计 算 波 高 按 有 关 规 范 或 强 度 标 准 选 取 ； 取 波 峰 位 于 船 中 两 种 状 态 分 别 进 行 计 算 。16.确 定 船 舶 在 波 浪 上 平 衡 位 置 的 方 法 ： 逐 步 近 似 法 、 直 接 发 （ 麦 卡 尔 法 ） 。17.波 浪 浮 力 修 正 （

9、史 密 斯 修 正 ） ： 计 及 波 浪 水 质 点 运 动 所 产 生 的 惯 性 力 的 影 响 ， 即 考 虑 波 浪动 水 压 力 影 响 对 浮 力 曲 线 所 作 的 修 正 。18.总 纵 弯 矩 ： 船 舶 在 同 一 计 算 状 态 下 ， 静 水 弯 矩 和 静 波 浪 弯 矩 的 代 数 和 。第 二 章 船 体 总 纵 强 度 计 算1.船 体 剖 面 模 数 （ W=I/Z） ： 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 体总 纵 强 度 的 一 个 重 要 标 志 。2.计 算 剖 面 （ 危 险

10、剖 面 ） ： 可 能 出 现 最 大 弯 曲 应 力 的 剖 面 。3.纵 向 强 力 构 件 ： 纵 向 连 续 并 能 有 效 地 传 递 总 纵 弯 曲 应 力 的 构 件 。4.间 断 构 件 ： 长 度 较 短 的 纵 向 构 件 。 其 参 与 总 纵 弯 曲 的 有 效 性 取 决 于 其 长 度 及 与 船 体 的 连 接情 况 。5.船 体 总 纵 强 度 计 算 中 必 须 考 虑 的 两 个 主 要 问 题 ： 反 映 船 体 结 构 的 工 作 特 征 （ 结 构 的 稳 定性 和 构 件 的 多 重 作 用 ） 。6.纵 向 强 力 构 件 分 类 ： 第 一 类

11、构 件 ： 只 承 受 总 纵 弯 曲 ； （ 不 计 甲 板 横 荷 重 的 上 甲 板 ） 第 二 类 构 件 ： 同 时 承 受 总 纵 弯 曲 和 板 架 弯 曲 ； （ 船 底 纵 桁 、 内 底 板 ） 第 三 类 构 件 ： 同 时 承 受 总 纵 弯 曲 、 板 架 弯 曲 、 纵 骨 弯 曲 /板 的 弯 曲 ； （ 纵 骨 架 式 中 的 船 底 纵骨 、 横 骨 架 式 中 的 船 底 板 ） 第 四 类 构 件 ： 同 时 承 受 总 纵 弯 曲 、 板 架 弯 曲 、 纵 骨 弯 曲 、 板 的 弯 曲 ； （ 纵 骨 架 式 中 的 船 底板 ）7.许 用 应 力

12、： 在 结 构 设 计 预 计 的 各 种 工 况 下 ， 船 体 结 构 构 件 所 容 许 承 受 的 最 大 应 力 值 。 （ 许用 应 力 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 其 强 度 有 足 够 的 储 备 ， 许 用 应 力 值 随 船 长 而 增 加 ）8.安 全 系 数 （ K） ： 考 虑 强 度 计 算 中 的 许 多 不 确 定 性 ， 为 保 证 设 计 结 构 必 要 的 安 全 度 而 引 入 的强 度 储 备 。9.船 体 总 纵

13、弯 曲 的 总 挠 度 ： 弯 曲 挠 度 与 剪 切 挠 度 之 和 ， 船 体 的 总 挠 度 与 船 长 之 比 应 小 于1/4001/500。10.船 体 极 限 弯 矩 ： 在 船 体 剖 面 内 离 中 和 轴 最 远 点 的 刚 性 构 件 中 引 起 的 应 力 达 到 结 构 材 料 屈服 极 限 （ 受 拉 ） 或 构 件 的 临 界 应 力 （ 受 压 ） 的 总 纵 弯 曲 力 矩 。第 三 章 船 体 结 构 局 部 强 度 计 算1.局 部 强 度 ： 船 体 在 外 力 作 用 下 除 发 生 总 纵 弯 曲 变 形 外 ， 各 种 局 部 结 构 ， 如 船

14、底 、 甲 板 、 船侧 和 舱 壁 板 架 以 及 横 向 肋 骨 框 架 也 会 因 局 部 在 和 作 用 而 发 生 变 形 、 失 稳 或 破 坏 。2.影 响 计 算 模 型 的 主 要 因 素 ： 结 构 的 重 要 性 ： 对 重 要 结 构 应 采 用 比 较 精 确 的 计 算 模 型 ； 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 ； 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

15、结 构 动 力 和 稳 定性 分 析 ， 由 于 问 题 比 较 复 杂 ， 可 用 简 单 的 计 算 模 型 。3.三 种 支 座 情 况 ： 自 由 支 持 在 刚 性 支 座 上 ； 刚 性 固 定 ； 弹 性 支 座 和 弹 性 固 定 。 （ 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 变 形 特 点 而 定 ）4.带 板 （ 附 连 翼 板 ） ： 为 估 算 骨 架 的 承 载 能 力 ， 应 八 一 定 宽 度 的 板 计 算 在 骨 架 剖 面 中 ， 即 作为 它 的 组 成 部 分 来 计 算 骨 架 梁

16、 的 剖 面 面 积 、 惯 性 矩 和 剖 面 模 数 等 几 何 要 素 。5.船 底 结 构 的 强 度 计 算 步 骤 ： 船 底 外 板 的 强 度 计 算 ； 船 底 纵 骨 弯 曲 应 力 计 算 ； 船 底 板架 计 算 ； 第 四 章 船 体 扭 转 强 度 计 算1.甲 板 大 开 口 船 舶 特 点 ： 舱 口 宽 度 已 达 到 、 甚 至 超 过 船 宽 的 80%， 舱 口 长 度 达 到 舱 壁 间 距 的90%。2.作 用 在 船 体 上 的 扭 转 外 力 ： 船 舶 斜 浪 航 行 时 的 扭 矩 ； 船 舶 倾 斜 时 的 扭 矩 ； 船 舶 摇 摆时 的

17、 扭 矩 ；3.扭 转 强 度 计 算 的 标 准 状 态 ： 船 体 为 直 立 状 态 ； 船 的 航 向 角 与 波 浪 行 进 方 向 的 夹 角 取 作 =45 ； 取 坦 谷 波 ， 有 效 波 长 等 于 船 长 ： /cos45 = 根 号 二 =L， 同 时 ， 取 波 高 h 为 波 长 的1/20； 船 与 波 浪 的 相 对 位 置 是 把 船 中 设 在 波 峰 上 （ 中 拱 ） 或 设 在 波 谷 上 （ 中 垂 ） ， 并 且 通 常 不 做史 密 斯 修 正 。4.符 拉 索 夫 两 个 基 本 假 设 ： 薄 壁 梁 中 面 无 剪 切 变 形 ； 梁 的

18、横 剖 面 外 廓 投 影 形 状 不 变 （ 刚 周 边 假 设 ） 。5.等 直 薄 壁 梁 扭 转 理 论 ： 开 口 剖 面 薄 壁 梁 自 由 扭 转 ； 闭 口 剖 面 薄 壁 梁 自 由 扭 转 。第 五 章 型 材 剖 面 设 计1.型 材 剖 面 设 计 应 符 合 的 要 求 ： 具 有 足 够 的 强 度 、 刚 度 和 稳 定 性 ； 应 尽 可 能 符 合 生 产 与 工 艺 方 面 的 要 求 ， 如 简 单 制 造 简 单 、 施 工 质 量 高 ； 满 足 特 殊 结 构 与 营 运 使 用 的 要 求 ； 剖 面 内 材 料 分 布 合 理 ， 使 所 得 结

19、 构 重 量 最 轻 ， 这 是 船 体 结 构 工 程 师 的 重 要 目 标 之 一 。2.衡 量 型 材 剖 面 内 材 料 分 布 合 理 程 度 的 指 标 ： 剖 面 利 用 系 数 ； 比 面 积 。3.船 体 骨 架 梁 带 板 宽 度 的 变 化 对 梁 材 最 小 剖 面 模 数 的 影 响 不 大 （ f2变 化 对 W1 的 影 响 不 大 ） 。4.增 加 不 对 称 剖 面 型 材 最 小 剖 面 模 数 最 有 效 地 办 法 是 增 加 腹 板 的 高 度 ， 或 者 腹 板 高 度 不 变时 ， 增 加 小 翼 板 的 剖 面 积 （ 增 加 f1 或 增 加

20、 h， W1 增 加 明 显 ） 。5.型 材 腹 板 的 相 当 面 积 ： 相 当 于 使 最 大 剪 应 力 沿 腹 板 高 度 均 匀 分 布 的 剖 面 积 。6.型 材 的 局 部 稳 定 性 ： 其 翼 板 和 腹 板 的 稳 定 性 。7.型 材 剖 面 设 计 要 求 ： 翼 板 最 大 弯 曲 正 应 力 不 超 过 许 用 应 力 ， 即 =M/W1=t0； 保 证 面 板 不 能 丧 失 局 部 稳 定 性 ， 即 要 求 b/t1=n0。第 六 章 船 体 中 剖 面 计 算 法 设 计1.船 体 结 构 的 设 计 法 设 计 ： 运 用 结 构 分 析 方 法 的

21、 综 合 来 确 定 船 体 横 剖 面 的 最 优 尺 寸 和 所 有 构件 的 尺 寸 ， 并 保 证 结 构 在 外 载 荷 作 用 下 具 有 足 够 的 强 度 、 稳 定 性 。2.基 本 要 求 ： 在 计 算 设 计 时 ， 假 定 船 体 总 布 置 和 线 型 已 经 确 定 。 广 义 地 说 ， 中 剖 面 结 构 计 算设 计 应 包 括 综 合 决 定 纵 、 横 构 件 布 置 及 其 尺 寸 。3.相 当 厚 度 ： 是 船 体 板 厚 度 与 所 有 纵 骨 剖 面 积 平 铺 在 其 宽 度 上 的 假 想 厚 度 相 加 所 得 。4.设 计 问 题 分

22、步 （ 分 级 优 化 ） ： 计 算 满 足 总 纵 强 度 要 求 的 结 构 相 当 厚 度 ， 即 解 决 材 料 在 整 个 横 剖 面 上 的 最 优 配 置 ； 根 据 求 得 的 相 当 厚 度 ， 按 局 部 强 度 与 稳 定 性 等 要 求 确 定 板 格 及 纵 骨 的 尺 寸 ， 即 解 决 材 料 在板 与 纵 骨 间 的 合 理 分 配 。5.插 值 法 实 质 ： 用 插 值 方 法 求 船 体 剖 面 在 甲 板 和 船 底 应 力 都 等 于 其 许 用 应 力 时 真 实 中 和 轴 的位 置 。6.设 计 要 求 ： 总 强 度 要 求 ； 局 部 强

23、度 要 求 ； 稳 定 性 要 求 ： 保 证 纵 骨 具 有 足 够 的 刚 度 和稳 定 性 ， 使 它 在 板 格 失 稳 之 前 不 发 生 失 稳 破 坏 ， 是 结 构 设 计 首 要 的 和 最 基 本 的 原 则 。第 七 章 船 体 结 构 规 范 法 设 计1.规 范 法 设 计 的 基 本 步 骤 ： 根 据 对 母 型 船 的 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 ； 根 据 型 线 图 和 总 布 置 图 ， 绘 制 中 剖 面 图 、 基 本 结 构 图 和 肋

24、骨 型 线 图 等 草 图 ， 并 进 行 结 构 构件 的 初 步 布 置 ； 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 。2.建 造 规 范 的 选 用 ： 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 。3.结 构 布 置 的 一 般 原 则 和 规 定 ： 结 构 的 整 体 性 原 则 ； 受 力 的 均 匀 性 和 有 效 传 递 原 则 ； 结 构 的 连 续 性 和 减 少 应 力 集

25、中 原 则 ； 局 部 加 强 原 则 ； 一 些 基 本 规 定 。 第 八 章 上 层 建 筑 设 计1.上 层 建 筑 ： 船 体 最 上 层 连 续 甲 板 以 上 的 舱 室 结 构 物 。2.上 层 建 筑 的 特 点 ： 以 一 舷 伸 至 另 一 舷 的 或 其 侧 壁 板 离 舷 侧 外 板 向 内 部 大 于 船 宽 的 4%； 甲 板 室 的 侧 壁 则 在 主 题 舷 侧 外 板 向 内 相 当 的 距 离 。3.端 点 效 应 ： 由 于 水 平 剪 力 对 上 层 建 筑 的 偏 心 作 用 ， 将 使 上 层 建 筑 向 与 主 体 弯 曲 相 反 的 方 向弯

26、曲 ， 即 引 起 了 侧 壁 的 纵 向 应 变 ， 使 剖 面 发 生 歪 斜 。 由 于 它 与 主 体 弯 曲 引 起 的 纵 向 应 变 相 反 ，从 而 减 少 了 弯 曲 应 力 ， 这 种 倾 向 越 接 近 端 部 越 厉 害 。4.柔 度 效 应 ： 对 于 甲 板 室 ， 如 果 它 仅 支 持 在 甲 板 横 梁 上 ， 由 于 横 梁 相 对 柔 软 ， 竖 向 力 使 它 发生 弯 曲 ， 结 果 使 甲 板 室 与 主 体 具 有 不 同 的 曲 率 半 径 ， 甚 至 相 反 。5.上 层 建 筑 的 分 类 ： 强 力 上 层 建 筑 ： 即 上 层 建 筑 能 100%有 效 地 参 加 总 纵 弯 曲 ； 轻 型 上 层 建 筑 ， 即 上 层 建 筑 不 能 100%有 效 地 参 加 总 纵 弯 曲 。