船舶結構力學設計

1、課程名稱：船舶結構力學第一部分 課程性質(zhì)與目標一、課程性質(zhì)與特點本課程研究的主要對象是船體結構中的桿件、 桿系和板的彎曲及穩(wěn)定性 , 系統(tǒng)地闡述了結構力學中的基本理論與方法 力法、位移法及能量原理。是高等教育自學考試船舶與海洋工程專業(yè)的一門重要專業(yè)基礎課。二、課程目標與基本要求 本課程的目標：學生通過該課程的學習，掌握結構力學的基本理論和方法，應用它們來解決船體結構中典型結 構（桿系和板的彎曲及穩(wěn)定性）的強度計算分析。還能處理一般工程結構中類似的力學問題。本課程基本要求：1 掌握建立船體結構計算圖形的基本知識2 掌握單跨梁的彎曲理論3 掌握力法的基本原理和應用4 掌握位移法和矩陣位移法的基本原

2、理和應用5 掌握能量原理及其應用6 瞭解有限單元法的基本概念和解題過程7 掌握矩形薄板的彎曲理論8 掌握桿及板的穩(wěn)定性概念，解答和應用9 瞭解薄壁桿件扭轉(zhuǎn)的基本概念 10該課程理論性強，力學概念較難建立，涉及數(shù)學知識較多，學習和掌握有一定的困難。相比較而言，單跨 梁的彎曲理論和板的彎曲理論是本課程的基本基礎。力法，矩陣位移法，能量法部分偏重於原理和方法在 結構分析中的應用。自學過程中應按大綱要求仔細閱讀教材，切實掌握有關內(nèi)容的基本概念、基本原理和 基本方法。學習過程中遵循吃透原理、掌握計算方法、看懂教材例題，完成部分習題。不懂的地方要反復 學，前、後聯(lián)繫起來學，要克服浮燥心理，欲速則不達，慢工

3、出細活。從而達到學懂、學會、學熟，及應 用它們來解決實際結構計算。三、與本專業(yè)其他課程的關係 本課程是船舶與海洋工程專業(yè)的一門專業(yè)基礎課，該課程應在修完學科基礎課和相關的專業(yè)基礎課後進行學習。 先修課程：高等數(shù)學，理論力學，材料力學，船體結構與海洋工程製圖後續(xù)課程：船體強度與結構設計第二部分 考核內(nèi)容與考核目標第 1章 緒論 一、學習目的與要求 本章是對船舶結構力學總述性的概述。通過對本章的學習，明確船舶結構力學的內(nèi)容與任務，是為了解決船體 強度問題，結構力學研究的是船體結構的靜力回應，即內(nèi)力與變形，以及受壓結構的穩(wěn)定性問題。學習和掌握結構 力學的基本原理與方法，經(jīng)典的力法、位移法及能量原理。

4、對船體結構及其簡化成相應的力學計算圖形有深刻的理 解。二、考核知識點與考核目標（一）船舶結構力學的內(nèi)容與任務（重點） 識記：船體強度的內(nèi)容，船舶結構力學的內(nèi)容。 理解：船舶結構力學與船體強度的聯(lián)繫。應用：分析船體強度與變形及其他問題（二）船體結構的計算圖形（重點）識記： 計算圖形， 典型的船體結構計算圖形 （人工計算： 四種。電腦計算： 空間桿系結構和板、 梁組合結構。 ） 理解：船體結構計算圖形簡化的內(nèi)涵和簡化過程。應用：實際船體結構簡化為與計算方法相應的計算圖形。第 2章 單跨梁的彎曲理論一、學習目的與要求本章是結構力學的理論基礎。通過對本章的學習，應掌握三類梁的彎曲微分方程的建立及其通解

5、，著重掌握梁 的支座和邊界條件，著重掌握梁的彎曲要素表和疊加原理的靈活應用。二、考核知識點與考核目標（一）梁的彎曲微分方程式及其通解（重點）識記：梁，單跨梁，梁的撓曲線，符號規(guī)定，平衡條件，等截面直梁的彎曲微分方程式。梁的彎曲要素，梁 端的彎曲要素，初參數(shù)法，梁的撓曲線通用方程式。 理解：梁的微段上彎曲要素間的微分關係。理解通用方程式（2-8 ）應用：通用方程式（ 2-8 ）（二）梁的支座和邊界條件（重點） 識記：邊界條件的概念，自由支持，剛性固定，彈性支座，彈性固定端，柔性係數(shù)，剛性係數(shù)的含義。 理解：不同的支座用相應的邊界條件來表達，支座和邊界條件的內(nèi)涵。 應用：利用邊界條件和通用方程（

6、2-8 ），來求解相應的單跨梁撓曲線方程及其他彎曲要素。（三）梁的彎曲要素表及其應用（重點） 識記：彎曲要素表的應用，疊加原理，疊加求彎曲要素時的技巧。 理解：疊加原理解題的全過程，疊加法畫彎矩圖和剪力圖。 應用：利用彎曲要素表和疊加原理，求解各種形式的單跨梁的彎曲要素，並畫出彎矩圖和剪力圖。（四）梁的複雜彎曲（重點） 識記：複雜彎曲的定義，複雜彎曲的微分方程式，初參數(shù)解，撓曲線通用方程式，輔助函數(shù)。 理解：複雜彎曲時剪力與撓度的微分關係與梁在橫力彎曲時是不同的。複雜彎曲時梁的彎曲要素表及疊加原 理應用的條件。軸向力對梁彎曲要素的影響。應用：求解複雜彎曲梁的彎曲要素，為板的彎曲作理論準備。（五

7、）彈性基礎梁的彎曲（次重點） 識記：彈性基礎梁的定義，彈性基礎的剛性係數(shù)，彎曲微分方程式，初參數(shù)解，普日列夫斯基函數(shù)，迴圈微 分關係及特殊數(shù)值，撓曲線通用方程式，輔助函數(shù)。理解：彈性基礎梁彎曲時的彎曲要素表及疊加原理應用的條件。彈性基礎對梁彎曲要素的影響。 應用：求解彈性基礎梁的彎曲要素，為某些工程結構物簡化為彈性基礎梁的彎曲作理論準備。一根舷側縱桁 多根肋骨組成的舷側結構的算例。第 3章 力法一、學習目的與要求力法是計算超靜定結構的最基本的經(jīng)典方法。通過對本章的學習，應掌握超靜定結構的組成和超靜定次數(shù)的確 定，力法的基本原理及典型方程。並應用力法來解決各類典型結構的計算，例如：剛性支座上連續(xù)

8、梁與不可動節(jié)點 簡單剛架的計算，對某些結構簡化出彈性支座與彈性固定端，彈性支座上連續(xù)梁的計算，簡單板架的計算等等。 二、考核知識點與考核目標（一）超靜定結構的組成與超靜定次數(shù)的確定（重點） 識記：靜定結構，超靜定結構，多餘聯(lián)繫，多餘約束力，超靜定結構的幾何組成特徵，靜力特徵。超靜定次 數(shù)，確定超靜定次數(shù)的基本方法。理解：同一超靜定結構可用不同的方法去掉多餘聯(lián)繫得到不同的靜定結構。 應用：對各種結構判定其超靜定次數(shù)。（二）力法的基本原理及典型方程（重點） 識記：力法的基本結構，變形協(xié)調(diào)條件，力法的基本原理，力法方程組，主係數(shù)、副係數(shù)的特點和內(nèi)涵。 理解：力法方程組的建立，形成力法方程組的一般規(guī)律

9、。應用：用力法解超靜定結構。（三）剛性支座上連續(xù)梁與不可動節(jié)點剛架（重點） 識記：剛性支座上連續(xù)梁，三彎矩方程，剛架，簡單剛架，複雜剛架，不可動節(jié)點剛架，不可動節(jié)點簡單剛 架。理解：結構和載荷的對稱性的利用。特殊結構和載荷的連續(xù)梁可簡化為單跨梁。 應用：用三彎矩方程解連續(xù)梁和簡單剛架。（四）彈性支座與彈性固定端的實際概念（重點） 識記：彈性支座與彈性固定端的實際概念，簡化的條件。 理解：利用彈性支座與彈性固定端的定義得到柔性係數(shù)。 應用：讀懂教材例題，能對某些具備簡化條件的結構進一步簡化。（五）彈性支座上連續(xù)梁計算（次重點） 識記：彈性支座上連續(xù)梁，五彎矩方程。 理解：此類問題要考慮支座處的撓

10、度。 應用：解簡單的彈性支座上的連續(xù)梁。（六）簡單板架計算（一般） 識記：主向梁，交叉構件，板架。 理解：載荷的傳遞，相交節(jié)點撓度相等條件。 應用：簡單板架計算。第 4章 矩陣位移法 一、學習目的與要求 本章介紹了位移法的基本原理，還介紹了矩陣位移法及其應用。解決大型桿系結構問題，位移法比力法更具有 優(yōu)勢。通過對本章的學習，掌握位移法的基本原理，建立位移法的典型方程。在此基礎上，把位移法分析桿系結構 的全過程以矩陣形式表達，形成矩陣位移法，借助電腦編程計算可解大型桿系結構的力學分析問題。要求學生著重 掌握位移法的基本原理。瞭解矩陣位移法計算桿系結構的一般步驟。二、考核知識點與考核目標（一）位移

11、法（重點） 識記：位移法的概念，位移法的基本原理，位移法典型方程，基本未知量，固端剪力，固端彎矩。 理解：彎曲桿元的剛度方程，剛度係數(shù)，主係數(shù)、副係數(shù)的涵義。應用：對簡單結構採用位移法計算。（二）矩陣位移法概述（次重點） 識記：把位移法變?yōu)榫仃囄灰品?，?jié)點位移向量（列矩陣） ，桿端力向量，彎曲桿元的剛度矩陣。結構坐標 系，桿元坐標系。節(jié)點的自由度數(shù)，矩陣位移法主要包括的內(nèi)容。理解：節(jié)點的位移分量（自由度數(shù)） ，為什麼要兩套坐標系，支座約束的處理問題。 應用：把結構化為矩陣位移法計算圖形（理解圖 4-12 ）（三）桿元分析（次重點） 識記：基本桿元，剛度矩陣的性質(zhì)，組合變形桿元，桿元固端力， 理

12、解：剛度矩陣的性質(zhì)，由基本桿元合併成組和變形桿元。 應用：各種桿元在桿元坐標系中的剛度方程，剛度矩陣。（四）編號約定與桿元定位向量（一般） 識記：結構節(jié)點未知位移向量，桿元定位向量。 理解：為什麼需要桿元定位向量 應用：看懂圖 4-20 ，能對計算結構進行處理。（五）座標轉(zhuǎn)換（一般） 識記：座標轉(zhuǎn)換關係，力和位移的座標轉(zhuǎn)換，桿元剛度矩陣的座標轉(zhuǎn)換。 理解：為什麼要座標轉(zhuǎn)換（六）整體裝配（一般） 識記：結構節(jié)點平衡方程組，結構剛度矩陣，結構節(jié)點外載荷向量。 理解：結構剛度矩陣的性質(zhì)。（七）彈性約束、強迫位移處理（一般） 識記：彈性約束、強迫位移的處理方法。理解：為什麼這樣處理。（八）桿元內(nèi)力計算

13、、矩陣位移法計算桿系結構的一般步驟（一般） 識記：桿元內(nèi)力計算，矩陣位移法解題的一般步驟。 理解：式（ 4-32 ）。應用：看懂肋骨剛架和板架計算的例題。第 5章 能量原理一、學習目的與要求 本章是變形固體力學的能量原理。通過對本章的學習，應掌握應用能量原理來計算各種桿系結構，為結構有限 單元分析方法打下理論基礎。二、考核知識點與考核目標（一）應變能和餘能（重點）識記：應變能，線彈性情況桿件應變能的計算公式，拉（壓） 、扭、彎、剪應變能，彈性支座和彈性固定端 應變能。非線性彈性體的應變能計算。餘能，餘能的計算。理解：應變能的物理意義，餘能的幾何意義。 應用：三維彈性體的應變能計算。（二）虛位移

14、原理及其應用（重點） 識記：虛位移，虛功，虛變形，虛應變能，虛位移原理，虛位移原理的運算式。位能駐值原理，位能駐值原 理的運算式。應變能原理，卡氏第一定理。理解：虛位移原理，位能駐值原理，應變能原理?？ㄊ系谝欢ɡ砑捌溥m用的條件。 應用：上述原理特別是卡氏第一定理的應用。（三）虛力原理及其應用（重點） 識記：虛力，虛餘功，虛餘能，虛力原理，虛力原理的運算式。餘位能駐值原理，餘位能駐值原理的運算式。 應力能原理，卡氏第二定理，最小餘能定理，卡氏最小功定理。 理解：虛力原理?？ㄊ系诙ɡ砗涂ㄊ献钚」Χɡ磉m用的條件。應用：卡氏最小功定理及卡氏第二定理的應用。（四）李茲法（重點） 識記：位能駐值原理的近

15、似解法，李茲法解題步驟。 理解：李茲法所取基函數(shù)必須滿足的條件，為什麼。 應用：李茲法解題第 6章 平面應力問題的有限單元法 一、學習目的與要求本章是有限單元法概念及其解題方法。有限單元法被公認為應力分析的有效工具，因此，通過對本章的學習， 要求瞭解有限單元法的基本概念、處理方法和解題過程。本章初看起來公式、符號，推導一大篇，似乎很嚇人，但 自學者只要按照本章的節(jié)號，耐心細心的讀下去，必然有所收穫，再讀一遍，收穫更多，如此反復，必能掌握其精 髓，站到高處，一覽眾山小。二、考核知識點與考核目標（一）平面應力問題及其基本方程式（一般） 識記：平面應力，應力分量，應變分量，位移分量，平衡微分方程式，

16、幾何方程式，物理方程式，邊界條件 方程式理解：應變協(xié)調(diào)方程式，廣義虎克定律，力學量間的內(nèi)在聯(lián)繫。兩種邊界條件。（二）解題方法及有限單元法 概念（一般） 識記：三種解題方法，有限單元法概念，結構離散化，單元的位移函數(shù)，外力的移置。 理解：有限單元法的實質(zhì)，關鍵。（三）常應變?nèi)切螁卧ù沃攸c） 識記：節(jié)點位移和節(jié)點力，位移函數(shù)，單元的應變與應力，單元剛度矩陣，收斂準則。 理解：單元剛度矩陣的一般運算式（ 6-33 ） 。收斂準則。（四）單元載荷向節(jié)點的移置（一般） 識記：等效節(jié)點載荷向量，體積力、面力的移置。 理解：虛功等效原則。（五）有限單元法的解題過程（次重點） 識記：解題過程：計算模型，單

17、元分析，整體裝配，約束處理，位移向量，單元應力，整理計算結果。 理解：例題。第 7章 薄板的彎曲理論一、學習目的與要求本章討論的對象是承受垂直板面載荷的矩形薄板的彎曲。通過學習，要求學生掌握薄板小撓度橫力彎曲時的變 形、內(nèi)力和應力，薄板小撓度複雜彎曲時的變形、內(nèi)力和應力。大撓度彎曲時的變形、內(nèi)力和應力，薄板小撓度彎 曲理論及其解法。為船舶與海洋工程結構中板與板梁的設計，為一般工程結構中板的設計計算打下理論基礎。 二、考核知識點與考核目標（一）概述（重點） 識記：薄板，船體中的板，薄板彎曲理論的基本假定。幾何方程，物理方程。 理解：薄板彎曲理論基本假定的含義。（二）矩形薄板的筒形彎曲（重點） 識

18、記：發(fā)生筒形彎曲的條件，板條梁，筒形彎曲板條梁的變形特點。薄板的彎曲剛度。板的筒形橫彎曲，板 的筒形複雜彎曲，板的筒形大撓度彎曲。中面力，支撐係數(shù)，剛性板，柔性板。 理解：三類筒形彎曲薄板的微分方程及其解。 。應用：計算筒形彎曲板的彎曲要素。（三）薄板小撓度彎曲理論（次重點） 識記：薄板小撓度彎曲定義?；炯僭O，薄板撓曲面彎曲微分方程式，邊界條件及扭矩的等效剪力。 理解：薄板撓曲面彎曲微分方程式推導中的力學量之間的關係。應用：板邊的邊界條件的各種寫法與組合。（四）矩形薄板小撓度彎曲問題的解法（次重點） 識記：納維葉解法，李維解法，應用疊加原理的解法，教材附錄的薄板彎曲的計算公式及相應的數(shù)值表，

19、能 量解法（李茲法） 。理解：各種解法的條件和過程，結論。應用：利用教材附錄 D:矩形平板的彎曲要素表來解決板的彎曲要素計算。第 8章 桿及板的穩(wěn)定性一、學習目的與要求本章是受壓桿及板的穩(wěn)定性的基本理論，為研究解決薄壁結構的穩(wěn)定性問題打下理論基礎。通過學習，要求學 生掌握結構失穩(wěn)的基本概念、求出結構的臨界壓力或臨界載荷。掌握計算船體板、船體骨材及甲板結構的穩(wěn)定性臨 界載荷。為船體強度與結構設計研究解決穩(wěn)定性問題作準備。二、考核知識點與考核目標（一）基本概念（重點） 識記：失穩(wěn)現(xiàn)象，中性平衡，臨界載荷。 理解：結構失穩(wěn)也是一種破壞形式。 應用：船體結構的失穩(wěn)。（二）單跨壓桿的穩(wěn)定性（重點） 識記

20、：解析法，中性平衡微分方程，失穩(wěn)形狀，半波形。壓桿的穩(wěn)定性方程式。歐拉力。能量法求壓桿的歐 拉力。不同固定情況的等截面單跨壓桿的歐拉力。歐拉公式的適用範圍，壓桿的柔度，非彈性穩(wěn)定性問題， 臨界力。理解：歐拉力和臨界力的涵義。 應用：利用解析法及能量法求壓桿的歐拉力或臨界力。（三）多跨壓桿的穩(wěn)定性（次重點）識記：在剛性支座上等跨度等截面多跨壓桿的穩(wěn)定性，在中間彈性支座上兩端自由支持的等跨度、等截面多 跨壓桿的穩(wěn)定性。彈性支座的剛性係數(shù)，臨界剛度，穩(wěn)定性曲線。理解：多跨壓桿求解歐拉力的方法和過程，為什麼僅使用穩(wěn)定性曲線的實線部分。應用：利用附錄 E:穩(wěn)定性曲線及數(shù)值表求解多跨壓桿。（四）簡單甲板板

21、架的穩(wěn)定性（一般） 識記：把甲板板架化成中間彈性支座上的連續(xù)壓桿來計算， 。 理解：如何化出中間彈性支座，非彈性穩(wěn)定性的處理。 應用：看懂教材上的算例。（五）板的中性平衡微分方程式及其解，板穩(wěn)定性的能量解法（次重點：實用公式的應用） 識記：板的穩(wěn)定性問題，板的中性平衡微分方程式（ 8-43 ）的構成規(guī)律和涵義。理解：板的彎曲剛度 D在穩(wěn)定性中的作用。穩(wěn)定性與板的哪些要素有關。應用：實用公式（8-50 ）、（8-51 ）、（8-55 ） （8-57 ）、（8-61 ）及（8-63 8-70 ）。（六）板失穩(wěn)後的性能和極限強度（次重點） 識記：板失穩(wěn)後還能繼續(xù)承載，板失穩(wěn)後的應力分佈，板的有效寬度，折減係數(shù)。板的柔度係數(shù)，板的極限 載荷。理解：板失穩(wěn)後的現(xiàn)象與壓桿不同。第 9章 薄壁桿件扭轉(zhuǎn)一、學習目的與要求 本章是薄壁桿件扭轉(zhuǎn)的理論和知識。薄壁桿件在工程中的應用非常廣泛，通過學習，要求學生瞭解薄壁桿件在扭轉(zhuǎn)時的變形現(xiàn)象和規(guī)律，