船體強(qiáng)度 第四章 船體扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計(jì)算

船體強(qiáng)度第四章船體扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計(jì)算第1頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期四

3.1作用于船體的扭轉(zhuǎn)力矩由波浪引起的扭轉(zhuǎn)力矩:不論在靜水里或在波浪中，船體受到扭轉(zhuǎn)的情形很多,對(duì)于這些扭轉(zhuǎn)作用，普通船體一般都具有充分大的扭轉(zhuǎn)剛性和扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度.

可是對(duì)于一些特殊船體，例如礦石船、集裝箱船等這些具有長(zhǎng)大甲板開(kāi)口的船體，它們的扭轉(zhuǎn)剛性和扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度就不容忽視了。第2頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期四扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計(jì)算的必要性1、船舶大開(kāi)口引起船舶抗扭剛度減小甲板開(kāi)口船舶如下圖所示：

第3頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期四扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計(jì)算的必要性

甲板面積嚴(yán)重?fù)p失，開(kāi)口寬度b與船舶寬度B比值可達(dá)到80%。開(kāi)口和閉口的自由扭轉(zhuǎn)慣性矩按下式計(jì)算開(kāi)口慣性矩：閉口慣性矩：第4頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期四扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計(jì)算的必要性

開(kāi)口后，扭轉(zhuǎn)慣性矩顯著降低。因此大開(kāi)口船舶容易出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)剛度不足發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形破壞。2、提高扭轉(zhuǎn)剛度的結(jié)構(gòu)措施第5頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期四扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計(jì)算的必要性

第6頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期四扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計(jì)算的必要性

3、船體扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計(jì)算的方法與步驟

1）確定扭矩產(chǎn)生的原因，計(jì)算扭矩；

2）根據(jù)橫剖面結(jié)構(gòu)的布置，確定扭轉(zhuǎn)剛度嚴(yán)重消弱的剖面，計(jì)算該剖面的船體抗扭慣性矩；

3）計(jì)算扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力計(jì)算模型：船體梁模型，按照總強(qiáng)度第一次總彎曲應(yīng)力的計(jì)算方法，將船體簡(jiǎn)化為梁模型，計(jì)算剖面的抗扭特性。第7頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期四作用在船體上的扭轉(zhuǎn)外力

船舶斜浪航行引起的扭轉(zhuǎn)力矩

計(jì)算假定：不考慮波浪的動(dòng)效應(yīng)，計(jì)算結(jié)果為靜波浪扭矩。波長(zhǎng)與船長(zhǎng)之間關(guān)系為：第8頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期四作用在船體上的扭轉(zhuǎn)外力

圖4-1.船舶斜浪航行受力圖第9頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期四作用在船體上的扭轉(zhuǎn)外力

1、垂向力引起的扭矩前體浮心距離中縱剖面為e,排水量為V；后體浮心距離中縱剖面為e。在船中的扭矩為::前體排水量。單位長(zhǎng)度扭矩的計(jì)算：考慮單位船長(zhǎng)，重力作用線通過(guò)中縱剖面，但是浮力的作用線離開(kāi)中縱剖面為距離e,如下圖第10頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期四作用在船體上的扭轉(zhuǎn)外力

圖單位長(zhǎng)度浮力作用線偏離中縱剖面第11頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期四作用在船體上的扭轉(zhuǎn)外力

單位長(zhǎng)度的扭矩為：?jiǎn)挝婚L(zhǎng)度船舶浮力作用線到中縱剖面的距離；：?jiǎn)挝婚L(zhǎng)度的浮力：?jiǎn)挝婚L(zhǎng)度的扭矩。計(jì)算斜浪航行的波浪扭矩關(guān)鍵是計(jì)算每個(gè)橫剖面上的波面線,即確定波面與橫剖面的交線。第12頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期四作用在船體上的扭轉(zhuǎn)外力

尾端點(diǎn)為自由端，扭矩等于零。則距離尾端點(diǎn)首端點(diǎn)扭矩為零，即船舶的扭矩曲線和分布扭矩曲線為：第13頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期四作用在船體上的扭轉(zhuǎn)外力

圖

波浪扭矩曲線的和分布扭矩曲線第14頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期四作用在船體上的扭轉(zhuǎn)外力

扭矩曲線的斜率等于分布扭矩曲線：第15頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期四作用在船體上的扭轉(zhuǎn)外力

大開(kāi)口船舶水平力引起的扭矩

由于扭轉(zhuǎn)中心離開(kāi)重心G較遠(yuǎn)，扭轉(zhuǎn)中心在橫剖面結(jié)構(gòu)的下方，水平力：兩舷壓力差引起水平扭矩，如下圖:微段上壓力差的合力作用中心；：作用中心線到扭轉(zhuǎn)中心的距離。水平力引起的單位長(zhǎng)度的扭矩為：第16頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期四作用在船體上的扭轉(zhuǎn)外力

圖4-4.吃水不對(duì)稱(chēng)引起的壓力差第17頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期四作用在船體上的扭轉(zhuǎn)外力

單位長(zhǎng)度的總扭矩為垂向力單位長(zhǎng)度扭矩和水平力單位長(zhǎng)度扭矩疊加，即單位長(zhǎng)度扭矩=第18頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期四1、波的方向和船舶前進(jìn)方向角度一定時(shí)，扭矩隨船的前進(jìn)速度稍有增加。2、波高一定時(shí)，有效波長(zhǎng)和船長(zhǎng)相等時(shí)，船的方向和波的方向間夾角A在0-60度范圍內(nèi)，扭矩大致與A成比例增加。3、扭矩一般比彎矩小，通常不超過(guò)同一狀態(tài)下彎矩的10%，但在橫搖時(shí)扭矩將增加。4、斜浪中船舶動(dòng)扭矩大約為同一狀態(tài)下的靜扭矩的1/3.第19頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期四作用在船體上的扭轉(zhuǎn)外力船舶傾斜產(chǎn)生的扭矩(貨物引起的扭矩)

船舶傾斜由于裝載不對(duì)稱(chēng)引起，船舶在航行過(guò)程中，由于風(fēng)浪作用船舶發(fā)生劇烈運(yùn)動(dòng)，貨物移動(dòng)，導(dǎo)致裝載不對(duì)稱(chēng)引起船舶出現(xiàn)傾角，船舶在有橫傾角的狀態(tài)保持平衡狀態(tài)：即全船重量=排水量，橫傾力矩=復(fù)原力矩。產(chǎn)生扭矩的原因：雖然總體上船舶滿(mǎn)足平衡狀態(tài)，但是單位長(zhǎng)度上傾斜力矩與復(fù)原力矩不相等，其存在差額，該差額引起扭矩。第20頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期四船舶傾斜引起的扭矩

圖.船舶傾斜后重力作用線到浮力作用線的距離e第21頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期四船舶傾斜引起的扭矩

:船舶傾斜后的復(fù)原力矩,:船舶單位長(zhǎng)度的排水量;:單位長(zhǎng)度上浮力作用線到重力作用線的距離。第22頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期四傾斜扭矩通常比波浪引起的扭矩要小得多，一般不予計(jì)算，只對(duì)內(nèi)河船、駁船和浮吊等有時(shí)才考慮。第23頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期四船舶搖擺引起的扭矩 船舶搖擺引起的扭矩

船舶在波浪上橫搖時(shí)，橫搖加速度引起慣性力，產(chǎn)生扭矩。第24頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期四船舶搖擺引起的扭矩

圖

橫搖運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的慣性力：離心力和切向力第25頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期四船舶搖擺引起的扭矩

扭轉(zhuǎn)軸：通過(guò)全船重心的縱軸。1、離心力對(duì)于扭轉(zhuǎn)軸的回轉(zhuǎn)力矩=02、切向慣性力對(duì)于扭轉(zhuǎn)軸的傾斜力矩：橫搖加速度引起的單位長(zhǎng)度的傾斜力矩第26頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期四船舶搖擺引起的扭矩

單位長(zhǎng)度整個(gè)剖面質(zhì)量對(duì)于扭轉(zhuǎn)軸的質(zhì)量慣性矩。3、船舶傾斜角時(shí)，浮力作用產(chǎn)生的復(fù)原力矩船舶傾斜角時(shí)，浮力作用產(chǎn)生復(fù)原力矩c和傾斜力矩k在單位長(zhǎng)度上是不相等的，其差值（k-c）引起單位長(zhǎng)度的扭矩。距離尾端x處剖面上的扭矩為：第27頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期四船舶搖擺引起的扭矩

4、扭矩曲線的特點(diǎn)尾端扭矩=0首端扭矩為：船舶靜水中橫搖的運(yùn)動(dòng)方程為:第28頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期四船舶搖擺引起的扭矩

GM為初穩(wěn)性高，M為橫穩(wěn)心；G重心；I全船的極慣性矩。傾斜力矩復(fù)原力矩第29頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期四船舶搖擺引起的扭矩

全船轉(zhuǎn)動(dòng)平衡條件，得：即橫搖扭矩曲線端部為零。第30頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期四船舶搖擺引起的扭矩

5、橫搖扭矩曲線的計(jì)算和繪制（1）計(jì)算單位長(zhǎng)度剖面的慣性矩

（3）給定橫搖角，計(jì)算浮力引起的復(fù)原力矩c：（2）積分得當(dāng)每個(gè)站段的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量得曲線2：曲線1曲線2曲線3第31頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期四船舶搖擺引起的扭矩

曲線4：（4）積分得當(dāng)每個(gè)站段的浮力引起的復(fù)原力矩：：在曲線的右端，船首部：（5）轉(zhuǎn)動(dòng)慣量曲線2擴(kuò)大，得到慣性力矩曲線第32頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期四船舶搖擺引起的扭矩

曲線5=曲線2第33頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期四船舶搖擺引起的扭矩

（6）橫搖扭矩為曲線5與曲線4之差：曲線6第34頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期四船舶搖擺引起的扭矩

結(jié)語(yǔ):總橫搖慣性扭矩大約為斜浪波浪扭矩的30%，因此可在得到波浪扭矩后，引入系數(shù)1.3，放大波浪扭矩作為考慮橫搖慣性力的扭矩。第35頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期四扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)

(1)船體無(wú)橫傾;(2)航向角為45度;(3)取坦谷波,有效波長(zhǎng)等于船長(zhǎng)，波高等于-有效波長(zhǎng)。（4）計(jì)算時(shí)，分別取波峰在船中和波谷在船中。第36頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期四小結(jié)

小結(jié)：（1）引起的扭矩的因素：斜浪扭矩：斜浪航行，前體和后體浮力分布反對(duì)稱(chēng)，引起扭矩；貨物扭矩：貨物移動(dòng)，引起船舶重心偏移，單位長(zhǎng)度上，重量力矩和浮力力矩不完全相同，存在差額，該差額引起貨物扭矩；第37頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期四波浪扭矩及貨物扭矩的實(shí)用(規(guī)范)公式

1、海船波浪扭矩及貨物扭矩公式通常，在校核大開(kāi)口集裝箱船強(qiáng)度時(shí)都采用規(guī)范規(guī)定的外力和許用應(yīng)力。我國(guó)《海船規(guī)范》和英國(guó)《勞氏規(guī)范》對(duì)船中剖面處的波浪扭矩規(guī)定按下式計(jì)算:第38頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期四貨物扭矩是集裝箱重量橫向分布不均、壓載不均或燃料等消耗物橫向分布不均所引起。《海船規(guī)范》規(guī)定按下式計(jì)算：第39頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期四內(nèi)河船波浪扭超及貨物扭矩公式我國(guó)《內(nèi)河集裝箱船建造與檢驗(yàn)暫行規(guī)定》(1992)對(duì)內(nèi)河船波浪扭矩規(guī)定如下:第40頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期四內(nèi)河集裝箱船由集裝箱、壓載或燃料等橫向分布不均引起的貨物扭矩按下式計(jì)算:(kN.m)式中符號(hào)意義同式(4.2.22)。MTC在船兩端為零，由兩端向船中直線分布。第41頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期四扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計(jì)算的必要性

橫搖扭矩：船舶橫搖運(yùn)動(dòng)的慣性力引起扭矩。（2）總扭矩：總扭矩=波浪扭矩+貨物扭矩+橫搖扭矩（3）斜浪扭矩占總扭矩的70%，如果貨物沒(méi)有偏移，則貨物扭矩為零，橫搖慣性力引起的扭矩占斜浪扭矩的30%。第42頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期四普通船體的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度和剛性

船體是復(fù)雜的構(gòu)造物，在考慮它的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度和剛性時(shí)，可以把它作為一個(gè)巨大的薄壁斷面桿件來(lái)處理。由于船體結(jié)構(gòu)還隨著船舶種類(lèi)而異，從對(duì)扭轉(zhuǎn)的彈性作用的觀點(diǎn)，根據(jù)有沒(méi)有甲板開(kāi)口和開(kāi)口大小，把他們分為兩類(lèi)：一類(lèi)就是幾乎沒(méi)有甲板開(kāi)口的油船和具有普通艙口的貨船；另一類(lèi)就是礦石船和集裝箱船，他們是在甲板上具有長(zhǎng)大艙口的特殊專(zhuān)用船。這兩類(lèi)船對(duì)扭矩的作用有顯著的不同。前者的船體構(gòu)造屬于普通船體，后者的船構(gòu)造屬于長(zhǎng)大艙口的船體。第43頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期四1、自由扭轉(zhuǎn)圣維南扭矩第44頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期四2、自由扭轉(zhuǎn)式中是與開(kāi)口剖面相似的剪應(yīng)力；是沿單連域周邊均勻分布的剪應(yīng)力，稱(chēng)為布里特(Bredt)剪應(yīng)力扭率第45頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期四3、約束扭轉(zhuǎn)雙力矩翹曲扭矩外扭矩第46頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期四，普通船體的扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力一般是很小的，所以具有充分的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度。以上的計(jì)算是把船體剖面作為沒(méi)有開(kāi)口的閉式剖面的，實(shí)際的船是有艙口的，他們的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度和剛性要降低一些。第47頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期四一般船體約束扭轉(zhuǎn)理論概述第48頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期四

當(dāng)薄壁梁同時(shí)發(fā)生彎曲和扭轉(zhuǎn)時(shí)，則正應(yīng)力為

MY，IZZ—分別為對(duì)Y軸的彎矩和慣性矩；MZ,IYY—分別為對(duì)Z軸的彎矩和慣性矩。第49頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期四

在船體梁扭轉(zhuǎn)中，特別感興趣的是翹曲正應(yīng)力，扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力一般很小。如要計(jì)算翹曲剪應(yīng)力，可像普通粱彎曲理論中做的一樣來(lái)考慮。

閉口剖面部分，可假想地將各閉室切開(kāi)來(lái)進(jìn)行計(jì)算(見(jiàn)圖4-23(b））可以由切口處兩對(duì)應(yīng)面的相對(duì)翹曲位移為零求得開(kāi)口剖面部分(如圖4-23(a)的艙口部分）第50頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期四剪力和扭矩同時(shí)作用時(shí)，總剪應(yīng)力為QY,QZ分別為水平和垂直方向剪力第51頁(yè)，共53頁(yè)，2023年，2月20日，星期四大開(kāi)口船舶彎扭組合分析的有限梁法應(yīng)用有限梁法進(jìn)行大開(kāi)口船舶彎扭強(qiáng)度分