船舶結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

1、船舶結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析近幾年來，國內(nèi)船舶修理公司如雨后春筍般出現(xiàn)，修理任務(wù)急劇擴(kuò)張，修理的船型也是多種多樣，涵蓋整個船舶市場。而對船體結(jié)構(gòu)的修理也是首當(dāng)其沖，由于船廠的技術(shù)水平和工人技能等多方面原因，對于結(jié)構(gòu)修理過程中拆換結(jié)構(gòu)也會出現(xiàn)不同的修理方案，導(dǎo)致船舶結(jié)構(gòu)在修理后出現(xiàn)異常情況。因此對于船舶結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析的提出是相當(dāng)重要的。其主導(dǎo)思想是在船舶修理的船體拆換強(qiáng)度分析的應(yīng)用中，運(yùn)用的基本計算原理和方法，是以船舶原理和船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)為理論基礎(chǔ)。在以往的工程實(shí)際中，修船工程技術(shù)人員往往忽略或者不重視將這些理論的知識與船舶修理工程充分地結(jié)合起來。為了很好地說明這些基礎(chǔ)理論在修船工程實(shí)際中的應(yīng)用，本文將以船舶原

2、理和船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)的基本理論，來闡述在船舶修理工程中的基本強(qiáng)度理論和基本計算原理及方法。一、船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)在船舶工程傳統(tǒng)意義上，船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)研究和解決船體結(jié)構(gòu)在靜力響應(yīng)，即在給定的外力作用下如何確定船體結(jié)構(gòu)（局部和整體）中的應(yīng)力、變形情況。在船舶修理工程中，因船舶在設(shè)計建造時已經(jīng)對船舶的強(qiáng)度進(jìn)行了計算和設(shè)計，所以要解決的問題就是強(qiáng)度計算，概括來講，就是在船體結(jié)構(gòu)尺寸已知的條件下，在給定的外載荷或工況下，計算出結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形，并與許用值比較，從而判斷船體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度是否足夠。船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的計算是依據(jù)船舶原理的基本設(shè)計理念，運(yùn)用理論力學(xué)和材料力學(xué)的力學(xué)基本理論來對船舶的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行計算和校核的。二、力

3、學(xué)模型和船體模型在船舶修理工程中的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計算中，為了便于計算，須對實(shí)際的結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化，在簡化模型的基礎(chǔ)上，施加外載荷，再運(yùn)用船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)的基本理論和方法來計算船體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形情況。為了滿足計算的需要，可以將在船舶修理工程實(shí)際情況下的船體結(jié)構(gòu)的簡化模型分成兩個類型，一是基于傳統(tǒng)船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)基礎(chǔ)上的“力學(xué)模型”，二是在便于現(xiàn)代計算機(jī)計算和有限元理論分析的“船體模塊”，這兩個類型有漸進(jìn)的關(guān)系?！傲W(xué)模型”的建立是根據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)的受力特征、結(jié)構(gòu)之間的相互影響以及對計算精度的要求等各個方面的因素來確定的。在船舶修理工程中，船體“力學(xué)模型”的簡化一般有以下幾種形式：一是船體中的受壓或者拉壓的板，可以把

4、四周由縱橫骨架支持的這種受壓或者拉壓的板看作具有矩形周界的平板模型。在甲板縱骨被局部割斷后，在未斷縱骨和框架之間的主甲板就可以簡化成這樣的模型，在艙口圍橫梁被拆斷后，艙口圍板就成為受壓板結(jié)構(gòu)了，同樣可以簡化成這一類的力學(xué)模型結(jié)構(gòu)。二是船體結(jié)構(gòu)中解除部分約束條件的骨架可以看作力學(xué)中的“桿系系統(tǒng)”。連續(xù)梁、剛架和板架結(jié)構(gòu)是“桿系系統(tǒng)”中典型的結(jié)構(gòu)。因舷側(cè)板需換新，在拆除后，相應(yīng)位置的肋骨因支撐板約束的解除而成為受壓桿件。至于船體的雙層底結(jié)構(gòu)，在實(shí)際的計算處理中一般可以簡化為剛架和板架結(jié)構(gòu)。而“船體模塊”是為了便于計算機(jī)的計算方便，將船體的結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散處理，化成小的能夠表達(dá)結(jié)構(gòu)的所有特征的子結(jié)構(gòu)?！?/p>

5、船體模塊”的確定既要考慮到該結(jié)構(gòu)的幾何形狀，又要考慮其結(jié)構(gòu)載荷的特點(diǎn)，同時又必須采取適合有限元方法的計算特點(diǎn)來進(jìn)行。三、強(qiáng)度分析與計算與船舶設(shè)計建造中的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計算一樣，船舶修理實(shí)際的工程中，對船體結(jié)構(gòu)的改變（拆裝或新加），同樣是應(yīng)用力法、位移法、能量法和矩陣法等方法。但與船舶設(shè)計不同的是，船舶修理是在原有結(jié)構(gòu)被拿掉后，產(chǎn)生新的外載荷和新的邊界條件，這時要對新情況下的強(qiáng)度進(jìn)行計算和校核，確定在新的外載荷和邊界條件下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力和變形。下面以某船的局部構(gòu)件換新為例，來探討力法、位移法、能量法和矩陣法在船舶修理工程中的應(yīng)用。以下為某散貨船上邊艙橫剖面結(jié)構(gòu)圖，圖示陰影部分因板腐蝕變薄須進(jìn)行換新處理。

6、散貨船上邊艙局部挖換TST Frame Partly Renewal先將該拆換結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化和模型化處理，如上圖所示，可以簡化成兩端為固定端，甲板縱骨為支點(diǎn)的簡支梁結(jié)構(gòu)，考慮到甲板板的垂直壓力，簡支梁可以看成受垂直方向的均布載荷q的作用。下面就以這個模型為基礎(chǔ)來介紹在船舶強(qiáng)度分析中常用的幾種分析計算方法。1、力法求解這是結(jié)構(gòu)力學(xué)中最基本和最常用的方法之一。它的基本原理是將靜不定結(jié)構(gòu)的多余約束去掉,代以約束反力,使其成為一靜定結(jié)構(gòu)；去掉約束出現(xiàn)約束反力的地方列變形連續(xù)方程式以保證基本結(jié)構(gòu)的變形與原結(jié)構(gòu)相同。方程式的數(shù)目與未知數(shù)數(shù)目相同。對于結(jié)構(gòu)有n個未知力，則有n個變形連續(xù)方程式，可以列出“力法正

7、則方程式”如下：(1-1)式中，ij為結(jié)構(gòu)中力Xj在力Xi位置處的引起的應(yīng)變，i為外力在力Xi位置處引起的位移；解變形連續(xù)方程式求出未知力，進(jìn)一步可以求出結(jié)構(gòu)的彎曲要素。對圖中力學(xué)模型，根據(jù)式（1-1），且ij=ji，列出變形連續(xù)性方程組: (1-2)式中，M0、M1、M2分別為節(jié)點(diǎn)0、1、2處的彎矩； l為單跨粱的長度： Q為單跨粱上的載荷。求解可得：該結(jié)構(gòu)的剪力圖和彎矩圖如下：剪力和彎矩示意圖Bending Moment and Shear force Arrangement2、位移法求解以節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)角為未知數(shù)（角位移），再根據(jù)節(jié)點(diǎn)斷面彎矩平衡條件建立方程式。位移法的一般原理和解法步驟為: 分

8、析結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)，找出可以轉(zhuǎn)動的節(jié)點(diǎn)數(shù)；然后設(shè)想在可能發(fā)生轉(zhuǎn)角的節(jié)點(diǎn)上加上抗轉(zhuǎn)約束；再假想將加固的各節(jié)點(diǎn)強(qiáng)迫轉(zhuǎn)動，使之發(fā)生轉(zhuǎn)角，按照公式列出桿端彎矩；最后對發(fā)生轉(zhuǎn)動的各節(jié)點(diǎn)建立節(jié)點(diǎn)彎矩平衡方程式；解彎矩平衡方程式，可求得各桿端彎矩和彎曲要素。根據(jù)節(jié)點(diǎn)彎矩平衡方程式組：（2-1）Iij為桿ij的慣性矩lij為桿ij的長度i為節(jié)點(diǎn)I處的轉(zhuǎn)角對圖2-1列彎矩平衡方程式，有 (2-2)可以求得： 3、能量法求解能量法的基本原理是根據(jù)彈性體在外力的作用下將發(fā)生變形，載荷在相應(yīng)的位移上做功，同時，彈性體因變形而產(chǎn)生應(yīng)變能，列相應(yīng)的能量方程式，從而求解變形方程式，進(jìn)一步可以得出應(yīng)力情況。 彈性體的應(yīng)變能為根據(jù)位

9、能最小原理：在滿足幾何關(guān)系和給定的位移邊界條件的所有可能位移中，真實(shí)的位移使得系統(tǒng)的總位能取駐值，有：取滿足位移邊界條件的撓曲函數(shù)，計算應(yīng)變能、力函數(shù)以及總位能：4、矩陣法求解類似于有限元方法。為本文解決在船舶修理工程中的強(qiáng)度計算的重點(diǎn)應(yīng)用方法。這里僅簡述如何求解圖示的問題。總剛度矩陣為端點(diǎn)力計算如下：可以直接求解得到未知節(jié)點(diǎn)位移，進(jìn)一步可求得內(nèi)力分布本文在充分吸收和運(yùn)用現(xiàn)有的船舶原理和船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)理論的基礎(chǔ)上，結(jié)合船舶修理工程的實(shí)際情況，對船舶修理工程中出現(xiàn)的需要解決的強(qiáng)度校核問題進(jìn)行定性的分析，通過理論和實(shí)踐相結(jié)合的方法，探討船舶修理工程中的船體結(jié)構(gòu)改變所引起的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度變化的理論計算方法，并將其方便和快捷地轉(zhuǎn)化為實(shí)際的工程技術(shù)