船體強(qiáng)度第二章

1、船體強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)船體強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)天津大學(xué)建筑工程學(xué)院船舶與海洋工程系天津大學(xué)建筑工程學(xué)院船舶與海洋工程系 第二章第二章 船體總強(qiáng)度計(jì)算船體總強(qiáng)度計(jì)算2.1 第一次計(jì)算船體總縱彎曲應(yīng)力 總縱彎曲應(yīng)力計(jì)算的基本原理:根據(jù)材料力學(xué)中的柏努利梁理論,計(jì)算船體梁的總縱彎曲應(yīng)力。根據(jù)材料力學(xué)的理論，受彎曲梁中應(yīng)力按下式計(jì)算： iizIM-應(yīng)力計(jì)算位置到中和軸的距離；I-剖面慣性矩；M-剖面彎矩。一般iz來說，船體橫剖面的中和軸靠近船底，離甲板較遠(yuǎn)，甲板處的彎曲應(yīng)力可以按照下式計(jì)算jjzIMjz為甲板到中和軸的距離?；蛘邔懽鱦jWMjjzIW 則甲板處彎曲應(yīng)力為船底和甲板對(duì)應(yīng)剖面的最大和最小剖面模數(shù)。船

2、體強(qiáng)度等值梁：由有效參與總彎曲的全部構(gòu)件組成的梁，該梁在抵抗總彎曲及總縱強(qiáng)度性能上與船體等效。 2.1.1 計(jì)算剖面的確定與船體構(gòu)件參與總縱彎曲的效率1、計(jì)算剖面的確定 對(duì)于船體橫剖面而言，應(yīng)力水平較高的剖面，容易發(fā)生破壞，因此必須找出彎曲應(yīng)力大的剖面。橫剖面上應(yīng)力的大小，取決于剖面的抗彎幾何特性和剖面彎矩，確定計(jì)算彎曲應(yīng)力的剖面，需要綜合考慮剖面抗彎能力和剖面內(nèi)力的大小。一般確定計(jì)算剖面的原則如下：（1）總縱彎曲力矩較大的剖面； （2）總縱彎曲剪力較大的剖面； （3）按照強(qiáng)度理論計(jì)算，相當(dāng)應(yīng)力較大的剖面；（4）最大剪應(yīng)力理論，即第三強(qiáng)度理論 第四強(qiáng)度理論：形狀改變比能理論22342243（5

3、）結(jié)構(gòu)形狀或斷面積突變處：機(jī)艙前端、倉(cāng)口、上層建筑端部（6）對(duì)于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度無把握剖面；（7）規(guī)范上特別要求計(jì)算的剖面，如集裝箱船開口區(qū)域至少要計(jì)算5個(gè)剖面。2、船體構(gòu)件參與總縱彎曲的效率 由于船體中構(gòu)件的長(zhǎng)短和構(gòu)件所處的位置不同，其參與總縱彎曲的效率或程度是不同的。 （1）縱向強(qiáng)力構(gòu)件縱向強(qiáng)力構(gòu)件縱向強(qiáng)力構(gòu)件:在船中在船中0.4L0.4L區(qū)內(nèi)保持連續(xù)，并且有效參與總縱彎曲的構(gòu)件，區(qū)內(nèi)保持連續(xù)，并且有效參與總縱彎曲的構(gòu)件， 如船體外板、縱骨、縱桁、中龍骨、旁龍骨等如船體外板、縱骨、縱桁、中龍骨、旁龍骨等。 計(jì)算剖面模數(shù)時(shí)，縱向強(qiáng)力構(gòu)件的面積100%計(jì)入。（2）間斷構(gòu)件 長(zhǎng)度較短不能有效參與總縱彎曲

4、的構(gòu)件，如短的甲板室、開口間的甲板屬于間斷構(gòu)件。間斷構(gòu)件的端部，不參與總彎曲，從端部到構(gòu)件長(zhǎng)度中部，參與總彎曲的效率逐漸提高。圖 構(gòu)件參與總彎曲效率的說明100對(duì)于不參加總彎曲的構(gòu)件的面積，應(yīng)該扣除，即計(jì)算剖面幾何特性的時(shí)候，不計(jì)算不參與總彎曲的構(gòu)件的面積。間斷構(gòu)件面積扣除的方法如下：1）甲板室的處理 長(zhǎng)度超過15% 船長(zhǎng)L，且長(zhǎng)度大于6倍自身高度，以及至少受到3道橫倉(cāng)壁支持 的甲板室，可以認(rèn)為其中部有效參與總彎曲，但是其端部參與總彎曲效率降低，需要扣除不參與總彎曲的構(gòu)件面積。圖 甲板室端部構(gòu)件面積的扣除區(qū)域2）倉(cāng)口間甲板 兩個(gè)200角的斜線構(gòu)成的陰影區(qū)域內(nèi)的構(gòu)件不參與總彎曲，該部分構(gòu)件面積不

5、計(jì)入抗彎幾何特性。圖 倉(cāng)口間甲板的構(gòu)件面積扣除由于倉(cāng)口間甲板參與總彎曲效率很低，該剖面是船體結(jié)構(gòu)的薄弱剖面，因此 倉(cāng)口間結(jié)構(gòu)剖面容易發(fā)生破壞。3）倉(cāng)口圍板 如果倉(cāng)口圍板的長(zhǎng)度大于船舶的型深，則倉(cāng)口圍板的中部可以認(rèn)為參與總彎曲，其面積可以計(jì)入剖面抗彎幾何特性。2.1.2 第一次總彎曲應(yīng)力計(jì)算假定：剖面上構(gòu)件沒有失穩(wěn)。假定：剖面上構(gòu)件沒有失穩(wěn)。 一、剖面抗彎幾何特性計(jì)算 剖面抗彎幾何特性：指剖面的有效抗彎面積、慣性矩、剖面模數(shù)等。1、確定有效參與總縱彎曲的構(gòu)件，畫出總彎曲有效構(gòu)件圖；2、選擇合適的坐標(biāo)系3、計(jì)算剖面積、靜矩、移軸慣性矩和自身慣性矩、計(jì)算中和軸的位置、計(jì) 計(jì)算剖面上每個(gè)構(gòu)件到中和軸的

6、距離、計(jì)算剖面模數(shù)。圖1、 參與總彎曲的有效構(gòu)件與坐標(biāo)系參考坐標(biāo)系 二、計(jì)算總彎曲應(yīng)力計(jì)算公式iizIM計(jì)算彎曲應(yīng)力表1、 總彎曲應(yīng)力第一次計(jì)算表圖2、 參與總彎曲的有效構(gòu)件與坐標(biāo)系計(jì)算實(shí)例： 表2、第一次總彎曲應(yīng)力計(jì)算結(jié)果三、船底和甲板剖面模數(shù) 甲板剖面模數(shù)：橫剖面上甲板離中和軸最大，甲板處剖面模數(shù)最小，甲板處剖面模數(shù)是衡量船體強(qiáng)度的重要指標(biāo)。 船底剖面模數(shù)：船底離中和軸距離大于甲板，但是船底受到總縱彎曲，還承受較大的局部載荷，因此船底的剖面模數(shù)對(duì)于船體強(qiáng)度也十分重要。2.2 第二次計(jì)算船體總彎曲應(yīng)力2.2.1 構(gòu)件的受力與工作特征 船體總彎曲應(yīng)力的計(jì)算為迭代過程：第一次計(jì)算時(shí)，沒有考慮受壓

7、構(gòu)件的穩(wěn)定性問題，如果計(jì)算得到的受壓構(gòu)件的壓應(yīng)力大于歐拉應(yīng)力， 表明構(gòu)件失穩(wěn)，其抵抗總彎曲的效能下降，對(duì)該部分構(gòu)件需要折減其抗壓能力，折減后再次進(jìn)行彎曲應(yīng)力計(jì)算，直到前后兩次計(jì)算得到的應(yīng)力相差較小。所以計(jì)算總縱彎曲應(yīng)力的過程為迭代過程迭代過程。PPL=6m1、船體構(gòu)件的兩個(gè)基本問題：強(qiáng)度與穩(wěn)定性 受壓直桿的穩(wěn)定性問題-桿件的穩(wěn)定性和強(qiáng)度之間的矛盾與統(tǒng)一受壓直桿斷面為空心鋼管，直徑12cm，壁厚1cm，截面積37 ,圓根據(jù)海船建造規(guī)范，取許用應(yīng)力為12.4kN/cm2, 其可以承受的壓力為：圖 受壓直桿kNkNcmP8 .4584 .12372按照穩(wěn)定性計(jì)算，其允許承受壓力根據(jù)歐拉公式確定。歐拉

8、公式為 （強(qiáng)度允許）kNLEIPc5 .302600526101 . 214. 324222（穩(wěn)定性允許）顯然，當(dāng)壓力達(dá)到強(qiáng)度允許的66%時(shí)，結(jié)構(gòu)已經(jīng)失去穩(wěn)定性。2cm船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程，必須滿足強(qiáng)度和穩(wěn)定性兩個(gè)方面的要求。2、 船體強(qiáng)度計(jì)算方法的發(fā)展：（1）18世紀(jì)中葉，歐拉提出用梁理論計(jì)算計(jì)算船體的應(yīng)力和變形；（2）1874年，英國(guó)瑪麗（ Marry）號(hào)游輪在北大西洋海域折斷；（3）1877年，美國(guó)造船學(xué)者威廉等分析瑪麗號(hào)折斷的原因，提出了板失穩(wěn) 后抗壓能力降低需要進(jìn)行折減的概念： 破壞原因：船體在總縱彎曲中垂?fàn)顟B(tài)時(shí)，甲板受壓失穩(wěn)后承壓能力降低，載荷轉(zhuǎn)移到與甲板相鄰的縱骨上，縱骨應(yīng)力超出屈服

9、極限，使船體舷邊角鋼發(fā)生屈服，導(dǎo)致船舶斷裂。圖 瑪麗號(hào)甲板應(yīng)力的計(jì)算結(jié)果舷邊角鋼圖 角鋼屈服3、船體梁構(gòu)件的工作特征 1）載荷較小時(shí)（壓應(yīng)力小于歐拉應(yīng)力），橫剖面中縱向構(gòu)件的應(yīng)力同步變化，應(yīng)力的變化規(guī)律符合梁理論； 2）當(dāng)載荷增大時(shí)（壓應(yīng)力大于歐拉應(yīng)力），縱向構(gòu)件中的應(yīng)力不再同步增長(zhǎng)。柔性構(gòu)件（板）由于失穩(wěn)，其抗壓能力降低，應(yīng)力不再增加，而與柔性構(gòu)件相鄰的骨材（縱骨、縱桁）應(yīng)力大幅度增加。 船體構(gòu)件的工作特征：強(qiáng)度、穩(wěn)定性。（4）1930年，蘇聯(lián)學(xué)者布勃諾夫等完善了威廉的方法，形成了目前采用的 第二次總縱彎曲應(yīng)力的計(jì)算方法。2.2.2 船體構(gòu)件的穩(wěn)定性及臨界應(yīng)力計(jì)算 穩(wěn)定性概念：受壓結(jié)構(gòu)體系保

10、持原有平衡形式的能力。 臨界應(yīng)力：受壓桿件失穩(wěn)時(shí)對(duì)應(yīng)的壓應(yīng)力，稱為臨界應(yīng)力。1）線彈性范圍，直接采用歐拉公式得到失穩(wěn)時(shí)對(duì)應(yīng)的壓應(yīng)力；保證船體強(qiáng)度的關(guān)鍵構(gòu)件保證船體強(qiáng)度的關(guān)鍵構(gòu)件：指縱骨、縱桁、平板龍骨、舷頂列板、甲板邊板等船體構(gòu)件，這類構(gòu)件對(duì)保證船體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度具有重要作用，不允許發(fā)生失穩(wěn)。肋骨2)非彈性穩(wěn)定性：計(jì)算得到的歐拉應(yīng)力超出比例極限，稱為非彈性穩(wěn)定性問題。 對(duì)于非彈性穩(wěn)定的桿件，計(jì)算得到的歐拉應(yīng)力為名義歐拉應(yīng)力，采用適當(dāng)?shù)姆椒▽?duì)其進(jìn)行修正，得到臨界應(yīng)力。一、板的臨界應(yīng)力計(jì)算1、橫骨架式（1）甲板板：四邊自由支持圖 橫骨架甲板 )mm/N(csstcr22222110019（2）船底板和

11、內(nèi)底板 板格的縱邊自由支持，肋板位置彈性固定約束。222221100619mm/Ncsst.kcrk-彈性系數(shù)，考慮肋板對(duì)于板邊固定程度確定。 （3）舷頂列板和甲板邊板 三邊自由支持，一邊完全自由（4）舷側(cè)外板：四邊自由支持。S: 肋骨間距C：縱桁間距橫骨架2、縱骨架式（1）甲板板和船底板 計(jì)算模型：四邊自由支持 2210076mm/Nbtcr比較縱骨架式和橫骨架式板格，縱骨架式板格穩(wěn)定性是橫骨架式穩(wěn)定性的四倍。（2）T型材的面板和腹板1）面板：三板自由支持，一邊完全自由無限長(zhǎng)均勻受壓板2）腹板：四邊自由支持約束邊界的板格，壓縮應(yīng)力高度方向線性分布或均 均勻分布，由高度大小決定。縱骨架二、縱骨

12、的臨界應(yīng)力計(jì)算1、甲板縱骨 按兩端自由支持的受壓直桿計(jì)算。計(jì)算公式為： 222mm/NtbfaEiecr i-計(jì)入帶板在內(nèi)的縱骨剖面慣性矩；a-縱骨跨度 。 帶板圖 包括帶板的縱骨剖面be 帶板確定方法：有效寬度取21bbe b 縱骨間距；第一次穩(wěn)定性計(jì)算時(shí)，取)a, b(Minbe6歐拉應(yīng)力計(jì)算值的非彈性穩(wěn)定性修正：歐拉應(yīng)力計(jì)算值的非彈性穩(wěn)定性修正：由歐拉公式直接得到的結(jié)果為名義歐名義歐拉應(yīng)力拉應(yīng)力，當(dāng)計(jì)算值超出材料的比例極限時(shí)，需要修正歐拉公式直接得到的計(jì)算結(jié)果，得到臨界應(yīng)力。 臨界應(yīng)力的計(jì)算公式：EcryE21，當(dāng))(Eyycr41yE21，當(dāng)在船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，要求縱骨的臨界應(yīng)力達(dá)到屈服

13、極限，即ycr為此，縱骨的名義歐拉應(yīng)力應(yīng)該達(dá)到2.5倍的屈服極限: 計(jì)算出構(gòu)件的臨界應(yīng)力，填入第一次總彎曲應(yīng)力計(jì)算表，比較構(gòu)件的計(jì)算壓應(yīng)力和臨界應(yīng)力，如果構(gòu)件的臨界應(yīng)力小于計(jì)算壓應(yīng)力，則構(gòu)件在總彎曲應(yīng)力作用下，將失去穩(wěn)定性。需要重新考慮其失穩(wěn)構(gòu)件參與總彎曲的效率。2.2.3 船體板折減系數(shù)計(jì)算1、折減系數(shù)的概念和定義 船體板在小于臨界應(yīng)力壓應(yīng)力作用下，板中的應(yīng)力與相鄰骨材同步y(tǒng)E5 . 2增長(zhǎng)構(gòu)件，如下圖所示：縱骨縱骨圖 板失穩(wěn)前應(yīng)力與相鄰骨材相同圖 板失穩(wěn)后中間部分應(yīng)力小于相鄰骨材應(yīng)力cr1將圖示應(yīng)力分布簡(jiǎn)化得到：圖 失穩(wěn)后板格應(yīng)力分布的簡(jiǎn)化cr板格失穩(wěn)后，骨材每側(cè)0.25倍板格短邊范圍內(nèi)應(yīng)

14、力與骨材應(yīng)力同步增長(zhǎng)，該部分板面積可以與縱骨的抗壓效率相同。縱骨0.5b縱骨縱骨間距內(nèi)0.5b寬度的板，僅能承受相當(dāng)于臨界應(yīng)力的壓應(yīng)力。 剛性構(gòu)件：剛性構(gòu)件：將骨材及骨材每側(cè)0.25倍板格短邊的板，稱為剛性構(gòu)件。 柔性構(gòu)件柔性構(gòu)件：板格受壓邊扣除剛性構(gòu)件面積后的板，稱為柔性構(gòu)件。 設(shè)剛性構(gòu)件的承受的壓應(yīng)力為i，柔性構(gòu)件承受的應(yīng)力為 ，cr記柔性構(gòu)件的物理面積為A， 其承受的載荷P為crAP將柔性構(gòu)件面積處理為相當(dāng)剛性構(gòu)件面積，即假定其承受的應(yīng)力為 ，記其面積為 ，由于柔性構(gòu)件部分承受的載荷是不變的，即有 iicrAA或者整理得icrAAA相當(dāng)剛性構(gòu)件面積： 為相當(dāng)剛性構(gòu)件面積，即認(rèn)為柔性構(gòu)件承

15、受與剛性構(gòu) 件相同的壓應(yīng)力時(shí)，折算得到的虛擬的構(gòu)件面積。折減系數(shù)：柔性構(gòu)件失穩(wěn)后的相當(dāng)剛性構(gòu)件面積與柔性構(gòu)件實(shí)際面積的比 值。折減系數(shù)的物理意義：揭示了柔性構(gòu)件失穩(wěn)后抗壓效率的降低，如果柔性構(gòu)件的實(shí)際面積為A，其相當(dāng)剛性構(gòu)件為 ，則 AAA承壓能力降低了 。A2、柔性構(gòu)件面積的確定和折減系數(shù)的計(jì)算（1）柔性構(gòu)件面積A1）橫骨架式 ：板格短邊為肋距2）縱骨架式：板格短邊為縱骨間距AA（2）折減系數(shù)的計(jì)算：1）僅考慮總彎曲應(yīng)力icr2）考慮總彎曲應(yīng)力和板架彎曲應(yīng)力icr21，取1當(dāng)3、柔性構(gòu)件折減面積的計(jì)算AA折減掉的面積AA1柔性構(gòu)件有效抗壓面積為 。A 第二次總彎曲應(yīng)力計(jì)算即是要考慮柔性構(gòu)件的

16、有效抗壓面積計(jì)算剖面的抗彎幾何特性。計(jì)算列表進(jìn)行。2.2.4 總彎曲應(yīng)力的第二次計(jì)算1、選取參考軸（1）選取第一次計(jì)算的參考軸為參考軸 則以第一次計(jì)算得到的A、B、C值為基礎(chǔ)，在第一次計(jì)算時(shí)的參考軸下計(jì)算折減掉的面積、以及折減掉的面積對(duì)第一次計(jì)算時(shí)的參考軸的靜矩、慣性矩。表 第二次計(jì)算剖面抗彎幾何特性計(jì)算（2）選取第一次計(jì)算得到的中和軸為參考軸 此時(shí)，剖面面積仍為A，但是靜矩B=0，C=I。則以A、B=0以及C=I為基礎(chǔ)，進(jìn)行剖面折減計(jì)算。2、計(jì)算柔性構(gòu)件面積 對(duì)于受壓構(gòu)件，計(jì)算柔性構(gòu)件的面積，先確定剛性構(gòu)件的面積，則其余部分為柔性構(gòu)件面積。圖 橫骨架式結(jié)構(gòu)0.5s025s剛性構(gòu)件的寬度：s-

17、肋距0.25b0.5b0.5b圖 縱骨架式剛性構(gòu)件面積 b-縱骨間距即 剛性構(gòu)件每側(cè)0.25倍板格短邊作為剛性構(gòu)件處理。甲板去掉剛性構(gòu)件面積的其余部分，為柔性構(gòu)件面積。3、折減系數(shù)計(jì)算及折減掉的面積 折減掉的面積為負(fù)4、計(jì)算折減掉面積的靜矩及移軸慣性矩 計(jì)算折減掉的總面積 、總靜矩 、及總的慣性矩 BAC5、計(jì)算折減后剖面的有效參與總彎曲的面積、靜矩及慣性矩AAABBBCCC6、計(jì)算中和軸的位置及折減后有效參與總彎曲的面積對(duì)中和軸的慣性矩ABeAeCI227、計(jì)算折減后各個(gè)構(gòu)件的總彎曲應(yīng)力iizIM 總彎曲應(yīng)力計(jì)算迭代停止： 如果前后兩次計(jì)算的應(yīng)力的誤差大于5%：則需要繼續(xù)迭代計(jì)算。 如果迭代

18、三次后前后兩次的誤差仍大于5%：則說明結(jié)構(gòu)折減嚴(yán)重，穩(wěn)定性不滿足，需要修改結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。例題1：縱骨架式甲板，縱骨間距為b=600mm，甲板板厚t=6mm。在總強(qiáng)度第一次計(jì)算中，得甲板總彎曲應(yīng)力為 。試求（1）計(jì)算甲板折減系數(shù)（2）折減掉的面積。%)(51iiimmt8mmt6bbbb21/9810cmN解：（1）求歐拉應(yīng)力22/7848)100(7848cmNbtE（2）計(jì)算折減系數(shù)8 . 0981078481E(3)確定柔性構(gòu)件面積：扣除剛性構(gòu)件面積，得到柔性構(gòu)件面積。2726 . 060225 . 04)225. 05 . 03(cmbtbtbbA（4）計(jì)算半個(gè)剖面折減掉的面積24 .1

19、4)8 . 01 (72)1 (cmAAAA例題2、進(jìn)行總彎曲應(yīng)力計(jì)算。第一次計(jì)算得中和軸距離甲板1.74m，整個(gè)剖面的慣性矩為 ，剖面積A=704平方厘米，中垂總彎曲力矩為M= 。肋距S=500mm。求總彎曲應(yīng)力。228 .1583mcmI mt.5 .127mmt4m61.74m解：（1）第一次總彎曲應(yīng)力計(jì)算2)1(/14074. 1cmkgIMj（2）計(jì)算歐拉應(yīng)力222/128)500100(200)100(200cmkgtstE（3）計(jì)算折減系數(shù)914. 01401281jE（4）計(jì)算折減掉的面積292.18)086. 0(4 . 0)50600() 1914. 0()5 . 02()

20、 1(cmtsBAA（5）第二次總彎曲應(yīng)力計(jì)算1)確定參考軸 取第一次所得中和軸為參考軸：2704cmA 折減前：228 .1583mcmI 對(duì)參考軸慣性矩：折減前面積對(duì)參考軸靜矩（即對(duì)中和軸）：B=02）計(jì)算折減后的剖面面積、中和軸位置和慣性矩2108.685)92.18(704cmAAA面積：靜矩：mcmBBB2192.32)92.32(0292.18cmAmcmAB292.3274. 192.1874. 1222228.5774. 192.1874. 1mcmAC對(duì)參考軸慣性矩：22152.1526)28.57(8 .1583mcmCCC中和軸位置：mABe048. 011中和軸mmt4

21、m61.74mm048. 0慣性矩：222121194.152408.685)048. 0(52.1526)(mcmAeCI21)2(/50.149788. 194.15245 .127cmkgzIMjj甲板距離新中和軸：mezzjj788. 1)048. 0(74. 1第二次計(jì)算得總彎曲應(yīng)力：比較前后兩次計(jì)算結(jié)果：%.57861405149140(6）第三次總彎曲應(yīng)力計(jì)算 1)計(jì)算折減系數(shù)856. 05 .149128)2(2）甲板折減掉的面積2)1()2(716.12)914. 08562. 0(220)(220cmA3）取第二次計(jì)算所得中和軸為參考軸，進(jìn)行第三次總彎曲應(yīng)力計(jì)算作業(yè)1作業(yè)2

22、：mmt8mmt5 . 6bbbb 縱骨架式甲板，縱骨間距為b=700mm，甲板板厚t=6.5mm。在總強(qiáng)度第 一次計(jì)算中，得甲板總彎曲應(yīng)力為 1000 。試求 （1）計(jì)算甲板折減系數(shù)（2）折減掉的面積。2/cmkg*甲板邊板不折減。2.3 船體構(gòu)件多重作用及按應(yīng)力合成校核總縱強(qiáng)度2.3.1船體構(gòu)件多重作用1、船體構(gòu)件載荷的傳遞關(guān)系（1）橫骨架式圖 橫骨架結(jié)構(gòu)載荷的傳遞關(guān)系載荷的傳遞和構(gòu)件變形： 船底板：船底板：自身在水壓力下發(fā)生板格彎曲，肋板和縱桁約束板格的變形，肋板和縱桁發(fā)生變形即板架發(fā)生彎曲，船底板參與船底板架的彎曲。此外，船底船體整體彎曲時(shí)，船底板也發(fā)生總縱彎曲，因此船底板參與三種變形

23、：板格彎曲、板架彎曲、總縱彎曲。 縱縱 桁：桁：僅當(dāng)板格彎曲帶動(dòng)板架彎曲時(shí)，縱桁才發(fā)揮作用，所以縱桁參與板架彎曲和總縱彎曲。（2）船底縱骨架結(jié)構(gòu)載荷的傳遞關(guān)系圖 縱骨架結(jié)構(gòu)載荷的傳遞關(guān)系縱骨：縱骨：縱骨受到來自板格載荷的作用自身發(fā)生彎曲，縱骨將載荷傳遞給肋板和倉(cāng)壁，引起板架的彎曲變形?？v骨因板架的彎曲也發(fā)生變形，此外，船底船體整體彎曲時(shí)，船底縱骨也發(fā)生總縱彎曲，因此船底縱骨的彎曲包括：縱骨自身在水壓力下發(fā)生彎曲、參與板架彎曲，此外，船底縱骨參與總縱彎曲，因此船底縱骨參與三種變形：縱骨參與三種變形縱骨參與三種變形：縱骨彎曲、板架彎曲、總縱彎曲?？v縱 桁：桁：僅當(dāng)板格彎曲帶動(dòng)板架彎曲時(shí)，縱桁才發(fā)揮

24、作用，所以縱桁參與板架彎曲和總縱彎曲縱桁參與兩種變形：縱桁參與兩種變形：板架彎曲 總縱彎曲2、船體構(gòu)件的分類及應(yīng)力成分 根據(jù)構(gòu)件參與變形的形式的多少，可以將構(gòu)件分為不同的種類：構(gòu)件多重作用：船體構(gòu)件在載荷作用下，參與多種變形形式，發(fā)揮多種作構(gòu)件多重作用：船體構(gòu)件在載荷作用下，參與多種變形形式，發(fā)揮多種作 稱為構(gòu)件的多重作用。稱為構(gòu)件的多重作用。板格：所有型材的彎曲，都影響板格的變形。板格參與四種變形：板格彎曲、縱骨彎曲、板架彎曲 總縱彎曲第一類構(gòu)件第一類構(gòu)件：僅參與總縱彎曲的構(gòu)件，應(yīng)力成分 ，例如沒有橫向載荷的甲板板。第二類構(gòu)件第二類構(gòu)件：參與板架彎曲和總縱彎曲的構(gòu)件，如船底縱桁和內(nèi)底版，存在

25、兩種應(yīng)力成分：11總彎曲應(yīng)力總彎曲應(yīng)力2板架彎曲應(yīng)力第三類構(gòu)件第三類構(gòu)件：同時(shí)參與板架彎曲、總縱彎曲及縱骨彎曲。存在三種應(yīng)力成分213：總彎曲應(yīng)力總彎曲應(yīng)力：板架彎曲應(yīng)力：縱骨彎曲應(yīng)力第四類構(gòu)件第四類構(gòu)件：同時(shí)參與板架彎曲、總縱彎曲、縱骨彎曲及板格彎曲。指縱骨架式外板。應(yīng)力成分四種：1234：總彎曲應(yīng)力總彎曲應(yīng)力：板架彎曲應(yīng)力：縱骨彎曲應(yīng)力：板格彎曲應(yīng)力2.3.2 應(yīng)力合成方法 1、第二類構(gòu)件 合成位置：跨中、倉(cāng)壁處 圖 第二類構(gòu)件應(yīng)力合成:跨中和倉(cāng)壁位置2、第三類構(gòu)件 合成位置：縱骨跨中（兩個(gè)肋板之間）和肋板位置圖 第三類構(gòu)件應(yīng)力迭加總縱彎曲應(yīng)力板架彎曲應(yīng)力縱骨彎曲應(yīng)力3、第四類構(gòu)件合成位置

26、：板架跨中（橫倉(cāng)壁之間）、縱骨跨中和肋板位置、橫倉(cāng)壁位置圖 第四類構(gòu)件應(yīng)力迭加 43212.4 船體彎曲剪應(yīng)力計(jì)算船體彎曲剪應(yīng)力計(jì)算 計(jì)算目的：船長(zhǎng)計(jì)算目的：船長(zhǎng)1/4L，存在最大剪應(yīng)力，結(jié)構(gòu)的抗剪能力低于抗彎能力：，存在最大剪應(yīng)力，結(jié)構(gòu)的抗剪能力低于抗彎能力： y. 30 s).(60502.4.1彎曲剪應(yīng)力的一般計(jì)算公式彎曲剪應(yīng)力的一般計(jì)算公式kkkItNS說明：寬度方向剪應(yīng)力均布。Sk-剖面上任意位置k一側(cè)面積對(duì)中和軸的靜矩。tk-位置k處剖面的寬度k N 以剪應(yīng)力零點(diǎn)作為靜矩零點(diǎn)，即計(jì)算靜矩的起始點(diǎn)，計(jì)算任意點(diǎn)的靜矩。k0計(jì)算船體梁彎曲剪應(yīng)力時(shí)，考慮船體梁的實(shí)際情況并為了簡(jiǎn)化計(jì)算，作出

27、如下假定：（1）計(jì)算I和靜矩Sk時(shí),不考慮構(gòu)件的折減，因?yàn)镮/Sk的比值變化不大；（2）平斷面假設(shè)（3）將構(gòu)件均攤到船板上2.4.2、開式剖面和可化為開式斷面的船體梁剪應(yīng)力計(jì)算、開式剖面和可化為開式斷面的船體梁剪應(yīng)力計(jì)算（1）開式剖面 沒有縱倉(cāng)壁的開口船體 以剪應(yīng)力零點(diǎn)作為靜矩零點(diǎn)，即計(jì)算靜矩的以剪應(yīng)力零點(diǎn)作為靜矩零點(diǎn)，即計(jì)算靜矩的起始點(diǎn)，計(jì)算任意點(diǎn)的靜矩。起始點(diǎn)，計(jì)算任意點(diǎn)的靜矩。k0（2 2）可化為開式剖面的船體剖面）可化為開式剖面的船體剖面 船體橫剖面關(guān)于中縱剖面對(duì)稱，剪船體橫剖面關(guān)于中縱剖面對(duì)稱，剪應(yīng)力作用線沿著中縱剖面，中縱剖面上，剪應(yīng)力作用線沿著中縱剖面，中縱剖面上，剪應(yīng)力等于零。

28、（對(duì)稱結(jié)構(gòu)，對(duì)稱剖面上，僅應(yīng)力等于零。（對(duì)稱結(jié)構(gòu)，對(duì)稱剖面上，僅存在對(duì)稱內(nèi)應(yīng)力）存在對(duì)稱內(nèi)應(yīng)力） 則中縱剖面，為剪應(yīng)力零點(diǎn)，于是可以則中縱剖面，為剪應(yīng)力零點(diǎn)，于是可以在縱中剖面切開，剖面化為開式剖面。在縱中剖面切開，剖面化為開式剖面。kukue剪應(yīng)力零點(diǎn)NeutItNItNSkkkk22uueututBItNkk)(甲板剪切應(yīng)力：甲板剪切應(yīng)力：舷側(cè)剪切應(yīng)力：舷側(cè)剪切應(yīng)力：線性分布二次分布開式剖面剪應(yīng)力的分布：開式剖面剪應(yīng)力的分布：開式剖面剪應(yīng)力的分布圖開式剖面剪應(yīng)力的分布圖ue2.4.32.4.3、 閉式剖面船體梁剪應(yīng)力計(jì)算閉式剖面船體梁剪應(yīng)力計(jì)算 常見的閉式剖面為：常見的閉式剖面為：c)c)

29、大開口雙舷側(cè)結(jié)構(gòu)；大開口雙舷側(cè)結(jié)構(gòu)；d)d)帶縱壁的油輪剖面。帶縱壁的油輪剖面。船體的閉口區(qū)域不存在剪應(yīng)力為零點(diǎn)，即無法確定靜矩零點(diǎn)。船體的閉口區(qū)域不存在剪應(yīng)力為零點(diǎn)，即無法確定靜矩零點(diǎn)。1 1、閉式剖面計(jì)算的剪應(yīng)力計(jì)算公式、閉式剖面計(jì)算的剪應(yīng)力計(jì)算公式 從沿船長(zhǎng)方向取出微元體，長(zhǎng)度為從沿船長(zhǎng)方向取出微元體，長(zhǎng)度為dx ,dx ,環(huán)向坐標(biāo)為環(huán)向坐標(biāo)為ds ,ds ,0)()(tdxdxdssttdsdxxtttds 由船體微段縱向力的平衡關(guān)系得：由船體微段縱向力的平衡關(guān)系得：整理得：0s)t(x)t(沿沿s s 方向積分得：方向積分得：sqdsx)t(t00 ， 上式積分沿著船體橫剖面邊界進(jìn)行

30、。上式積分沿著船體橫剖面邊界進(jìn)行。 剪力流：定義剪力流：定義 ， 稱為剪力流。稱為剪力流。tq000tqq由材料力學(xué)公式：由材料力學(xué)公式： zIM剪力剪力 等于：等于：xMN于是得：于是得：INzxMIzxIMzx代入代入 積分式得：積分式得：sqztdsINq00上式上式z ,z ,表示微元面積表示微元面積tds tds 的形心到中和軸的距離，積分表示的形心到中和軸的距離，積分表示0-s0-s的面積對(duì)的面積對(duì)中和軸的靜矩，即中和軸的靜矩，即 Nsztds)s(m000000qqq)s(mINq上式，上式，q q0 0 按開式剖面計(jì)算得到的剪力流；按開式剖面計(jì)算得到的剪力流； q q0 0 表

31、示靜矩起始點(diǎn)位置的剪力表示靜矩起始點(diǎn)位置的剪力流，對(duì)于開式剖面，流，對(duì)于開式剖面， q q0 0 =0=0。 對(duì)于閉式剖面，關(guān)鍵是求出計(jì)算靜矩起始點(diǎn)的剪力流對(duì)于閉式剖面，關(guān)鍵是求出計(jì)算靜矩起始點(diǎn)的剪力流 q q0 0。2 2、閉式剖面剪力流的計(jì)算、閉式剖面剪力流的計(jì)算 （1 1）力的平衡條件）力的平衡條件開式剖面：按照開式剖面方法計(jì)算；開式剖面：按照開式剖面方法計(jì)算；閉式剖面：在閉式剖面：在d d點(diǎn)切開，形成開式剖面，按照開式剖面計(jì)算剪力流點(diǎn)切開，形成開式剖面，按照開式剖面計(jì)算剪力流q q0 0; ;10011,qqq1 1）具有一個(gè)閉室情況）具有一個(gè)閉室情況閉室（閉室（1 1）的剪力流為：）

32、的剪力流為：按照開式剖面計(jì)算得到的剪力流；按照開式剖面計(jì)算得到的剪力流；01q ：閉室閉室1 1的常剪力流的常剪力流10,q（1）d(2)12020022,qqqq2 2）具有兩個(gè)閉室情況）具有兩個(gè)閉室情況 21010011,qqqq閉室2的剪力流為：210 ,q：閉室閉室2 2的常剪力流，僅在閉室的常剪力流，僅在閉室1 1和和2 2的公共邊界上。的公共邊界上。閉室閉室1 1的剪力流為的剪力流為： : 與閉式與閉式2 2相鄰的相鄰的閉室閉室1 1的常剪力流，僅出現(xiàn)在閉室的常剪力流，僅出現(xiàn)在閉室2 2和閉和閉室室1 1的公共邊界上。的公共邊界上。120,q（1）d開式一般情況，第i格個(gè)閉室的剪力

33、流分量可以寫作： kjjiiiiqqqq1000, k-與i 閉室相鄰的閉室個(gè)數(shù)。),.2 , 1(ni （2）變形協(xié)調(diào)條件 對(duì)于船體來說，剪力合力作用線通過剖面的彎曲中心，船體的剖面只發(fā)生彎曲變形，不會(huì)出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)變形，即扭率等于零,即：021dstq GAi或者 0dstq i將總剪力流代入上式，得0000dstqqqCijii,CCijiCidstqdstqdstq000,C-C-積分路徑積分路徑, ,沿著閉室邊界進(jìn)行。沿著閉室邊界進(jìn)行。 僅在閉室的公共邊界上不為零，其余路僅在閉室的公共邊界上不為零，其余路徑上等于零，因此積分簡(jiǎn)化為徑上等于零，因此積分簡(jiǎn)化為kiCijijiCidstqdst

34、qdstq1000,這里這里n n為閉室的個(gè)數(shù)。共有為閉室的個(gè)數(shù)。共有n n個(gè)位移協(xié)調(diào)條件。個(gè)位移協(xié)調(diào)條件。Cidstq, 0-常剪力流沿著閉口路徑的積分常剪力流沿著閉口路徑的積分dstqCi0-開口剪力流沿著閉室邊界的積分。開口剪力流沿著閉室邊界的積分。Cidstq10,),.,2 , 1(ni jiq, 0 IsNmqi00令令N/I=1, N/I=1, 則積分變?yōu)閯t積分變?yōu)閐st)s(mdstqCCi00上式為上式為m m0 0(s)(s)為閉室上任意點(diǎn)對(duì)中和軸的靜矩，靜矩計(jì)算的起始點(diǎn)為閉室的為閉室上任意點(diǎn)對(duì)中和軸的靜矩，靜矩計(jì)算的起始點(diǎn)為閉室的切口位置，坐標(biāo)軸垂直向上。關(guān)于各項(xiàng)的積分說

35、明如下：切口位置，坐標(biāo)軸垂直向上。關(guān)于各項(xiàng)的積分說明如下：dst)s(mC0：積分沿順時(shí)針方向進(jìn)行：積分沿順時(shí)針方向進(jìn)行, ,當(dāng)當(dāng) 積分方向方向與閉路積分積分方向方向與閉路積分方向相同時(shí)方向相同時(shí), ,取正號(hào)取正號(hào); ;相反時(shí)相反時(shí), ,取負(fù)號(hào)。取負(fù)號(hào)。1 1）切開閉室，施加常剪力流）切開閉室，施加常剪力流 ， 的方向?yàn)轫槙r(shí)針；的方向?yàn)轫槙r(shí)針；2)(0smiq, 0iq, 0sztds)s(m00按照開式剖面計(jì)算剪力流：3 3）當(dāng)常剪力流方向與閉路積分方向相反時(shí)，取負(fù)號(hào)；當(dāng)方向相同時(shí)，取正號(hào)。）當(dāng)常剪力流方向與閉路積分方向相反時(shí)，取負(fù)號(hào)；當(dāng)方向相同時(shí)，取正號(hào)。 圖中，在閉口1，C為積分路徑，在

36、公共邊界上，積分方向C向下，第1閉室與2相鄰邊界上， 常剪力流閉室2的常剪力流，方向向上，與積分路徑C相反，積分值為負(fù)號(hào)。即 DFDFdstqdstq,1210210dstsmINdstqdstqCCDF)(,02101011210 ,qkiCijijiCidstqdstqdstq1000,4 4）在公共邊界上，常剪力流的方向與閉路積分路徑的方向相反，積分值取負(fù)號(hào)。）在公共邊界上，常剪力流的方向與閉路積分路徑的方向相反，積分值取負(fù)號(hào)。12CFD1,2q如果剖面僅一個(gè)閉室，沒有公共邊界，則qi,j=0，此時(shí)，協(xié)調(diào)條件變?yōu)椋篊CidstsmINdstq)(,001常剪力流按下式計(jì)算CCidstds

37、tsmINq100)(,4）計(jì)算任意位置總剪力流 多個(gè)閉室：kjjiiiiqqqq1000,單個(gè)閉室：iiiqqq,00 如果總剪力流為負(fù)號(hào)，則說明實(shí)際剪力流方向與所假設(shè)的剪力流方向相反。算例、剖面具有一道縱倉(cāng)壁，中和軸位于算例、剖面具有一道縱倉(cāng)壁，中和軸位于1/2型深處，所有板厚型深處，所有板厚t，剖面剪力為剖面剪力為N，計(jì)算剪力流。，計(jì)算剪力流。解：點(diǎn)1和點(diǎn)6在中縱剖面，剪應(yīng)力等于零，取點(diǎn)1為靜矩零點(diǎn)，計(jì)算開口部 分剪力流，開口1-2和6-5的剪力流為 。 0q)(0sm積分方向閉路積分路徑B/4B/4B/4中和軸123456閉口為2-3-4-5-2，在閉口點(diǎn)2切開，施加常剪力流 。點(diǎn)2為

38、計(jì)算閉口的靜矩零點(diǎn) 。0, 1q213Cdssmdssmdssmdssmtdstsm2505403243000)()()()(1)(C按照開式剖面公式計(jì)算結(jié)果切開2點(diǎn)后施加的常剪力流456123C24/022320)4(2188)(:32BtBdsstBdssmABA128)(130BdssmtCA)()(1)()()()()(1)(54032002505403243000dssmdssmtdstsmdssmdssmdssmdssmtdstsmCC靜矩積分方向與閉路積分方向相反積分方向靜矩積分方向20203288)(2stBdstBsmAsA24/022540)4(2188)(:54BtBds

39、stBdssmABAtBBtdstC)44(11ItNBtdsdstsmINqCC128)(201負(fù)號(hào)說明實(shí)際常剪力流方向?yàn)槟鏁r(shí)針。負(fù)號(hào)說明實(shí)際常剪力流方向?yàn)槟鏁r(shí)針。 疊加求總剪力流：注意：閉口區(qū)求總剪力流時(shí)，靜矩計(jì)算的起始點(diǎn)要與選閉口切口位置。ItNBIsNmqqq128)(200, 1011開口與閉口分界線的剪力流：閉口區(qū)：ItNBIsNmqqq128)(20520, 105252注意：閉口區(qū)求總剪力流時(shí)，靜矩計(jì)算的起始點(diǎn)要選在閉口切口位置。按照開式剖面公式計(jì)算結(jié)果切開2點(diǎn)后施加的常剪力流按照開式剖面公式計(jì)算結(jié)果切開2點(diǎn)后施加的常剪力流疊加后總的剪力流實(shí)際常剪力流為逆時(shí)針方向。2-5 許用

40、應(yīng)力 1、許用應(yīng)力的定義 許用應(yīng)力是衡準(zhǔn)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的指標(biāo)。許用應(yīng)力法是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本方法。將計(jì)算應(yīng)力與許用應(yīng)力比較，判斷和衡準(zhǔn)結(jié)構(gòu)的安全性能。 許用應(yīng)力-指在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所有預(yù)定的工況下，結(jié)構(gòu)構(gòu)件容許承受的最大應(yīng)力。 k極限應(yīng)力K-安全系數(shù)，反映強(qiáng)度儲(chǔ)備的系數(shù)，一般船舶工程結(jié)構(gòu)安全系數(shù)取1.52.0,海洋工程結(jié)構(gòu)更高，一般為22.5。極限應(yīng)力取法與材料性質(zhì)和載荷形式有關(guān)：（1）塑性材料 ：極限應(yīng)力取屈服極限；（2）承受交變載荷：極限應(yīng)力取疲勞極限。2、影響許用應(yīng)力的因素 （1）載荷計(jì)算準(zhǔn)確程度（2）應(yīng)力計(jì)算的精度（3）結(jié)構(gòu)作業(yè)環(huán)境的特點(diǎn):變，未知因素多，載荷具有很大的隨機(jī)性 （4）結(jié)構(gòu)的損害后果（5

41、）對(duì)強(qiáng)度儲(chǔ)備的要求3、確定船舶許用應(yīng)力公式和特點(diǎn)（1）基本公式和許用應(yīng)力特點(diǎn)特點(diǎn)特點(diǎn)：隨船長(zhǎng)增加，許用應(yīng)力增加。原因原因：1）腐蝕補(bǔ)償：大船腐蝕相對(duì)小，通過許用應(yīng)力補(bǔ)償船體厚度的損失，大船補(bǔ)償小，許用應(yīng)力可以提高；2）載荷補(bǔ)償 標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算方法中，取波高為L(zhǎng)/20，對(duì)于大船，波高取大了，即人為夸大了船體的載荷，船舶越長(zhǎng)，載荷夸大越嚴(yán)重。通過提高許用應(yīng)力，補(bǔ)償夸大的大船的載荷。相對(duì)強(qiáng)度計(jì)算方法相對(duì)強(qiáng)度計(jì)算方法：1 1）載荷計(jì)算忽略波浪的動(dòng)態(tài)特性，取坦谷波波浪模型，計(jì)算得到的載荷）載荷計(jì)算忽略波浪的動(dòng)態(tài)特性，取坦谷波波浪模型，計(jì)算得到的載荷 并非實(shí)際環(huán)境載荷；并非實(shí)際環(huán)境載荷；2 2）船體采用等值梁模型，計(jì)算總彎曲應(yīng)力，計(jì)算得到的應(yīng)力是近似的；）船體采用等值梁模型，計(jì)算總彎曲應(yīng)力，計(jì)算得到的應(yīng)力是近似的；3 3）將船體應(yīng)力劃分為四種應(yīng)力成分，分別計(jì)算各自應(yīng)力迭加合成，采用許）將船體應(yīng)力劃分為四種應(yīng)力成分，分別計(jì)算各自應(yīng)力迭加合成，采用許用應(yīng)力衡準(zhǔn)船體強(qiáng)度