海洋工程結(jié)構(gòu)力學(xué)-緒論

船舶與海洋工程學(xué)院,船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)力學(xué),A13海工,白興蘭,聯(lián)系電話：669013Email:baixl0813,三大力學(xué)的關(guān)系,理論力學(xué)：主要研究的是質(zhì)點，剛體，并且以牛頓定律為主導(dǎo)思想來研究物體。它主要分為三大部分，靜力學(xué)，運動學(xué)和動力學(xué)。理論力學(xué)的作用就是把客觀存在的一些現(xiàn)象物理化，是一個物理建模的過程，然后再用數(shù)學(xué)的方法來解答。材料力學(xué)：主要研究的是桿件，板料、殼體，從理論力學(xué)的靜力學(xué)發(fā)展而來，因為剛體是不會變形的，所以在理論力學(xué)中是不可能解釋變形體的問題的，但實際上物體沒有不發(fā)生形變的，材料力學(xué)就是研究物體在發(fā)生形變以后的一些問題，比如說剛度，強度，穩(wěn)定性等結(jié)構(gòu)力學(xué)：與材料力學(xué)的區(qū)別是研究對象為桿系、板架等結(jié)構(gòu)，材料力學(xué)研究對象為構(gòu)件。,目錄,第1章緒論第2章單跨梁的彎曲理論第3章平面桿系結(jié)構(gòu)計算第4章桁架結(jié)構(gòu)與線狀結(jié)構(gòu)分析第5章能量原理及其應(yīng)用第6章薄平板的彎曲分析第7章圓筒形薄殼的靜力分析第8章結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析第9章薄壁桿件的扭轉(zhuǎn),專業(yè)介紹,船舶工程與傳統(tǒng)海洋工程分屬不同的學(xué)科交通運輸工程和土木工程：船舶結(jié)構(gòu)是由板和板架組成的空間殼體結(jié)構(gòu)，是一個具有六個剛體自由度的板殼結(jié)構(gòu)；傳統(tǒng)海洋工程結(jié)構(gòu)是由桿件組成的空間鋼結(jié)構(gòu)或混凝土結(jié)構(gòu)，鋼結(jié)構(gòu)通過樁基或桶形基礎(chǔ)固定于海底，混凝土結(jié)構(gòu)則借助于自重穩(wěn)定地坐在海床上。選用教材不同船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)和土木工程專業(yè)的結(jié)構(gòu)力學(xué)船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)以梁板和板殼結(jié)構(gòu)為主；傳統(tǒng)海洋工程結(jié)構(gòu)力學(xué)以剛架和桁架結(jié)構(gòu)（桿系結(jié)構(gòu)）；,課程介紹,結(jié)構(gòu)力學(xué)研究的對象是外載荷作用下發(fā)生形狀變化的形體或結(jié)構(gòu)。對于船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)而言，主要結(jié)構(gòu)形式為梁結(jié)構(gòu)、剛架結(jié)構(gòu)、板架結(jié)構(gòu)：單跨梁、多跨梁和板架梁；剛架、桁架、拱和索結(jié)構(gòu)薄板和組合板（正交異形板）研究內(nèi)容是不同結(jié)構(gòu)形式對各種荷載的響應(yīng)內(nèi)力和變形的分析計算，梁的彎曲和扭轉(zhuǎn)船的整體彎曲和扭轉(zhuǎn)；剛架、桁架、拱和索結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形計算；薄板的彎曲及穩(wěn)定性分析,保證結(jié)構(gòu)安全、正常工作的三大要素：,強度、剛度、穩(wěn)定性,第1章緒論,1.1學(xué)習(xí)的目的和任務(wù)能夠?qū)Υ芭c海洋工程結(jié)構(gòu)所必需的強度與剛度做出判斷，為結(jié)構(gòu)設(shè)計提供依據(jù)，使結(jié)構(gòu)達到質(zhì)量輕、材料省并具有足夠的強度與剛度的標(biāo)準(zhǔn)。強度與剛度由結(jié)構(gòu)中的各種應(yīng)力和變形來衡量。目標(biāo)：強度校核、結(jié)構(gòu)設(shè)計,1.1.1學(xué)習(xí)目的,船舶具有一定的強度，是指船體結(jié)構(gòu)在正常的使用過程和一定的使用年限中具有不破壞或不發(fā)生過大的變形的能力，以保證船舶能正常地工作。,1.1.2研究內(nèi)容,研究結(jié)構(gòu)在外載荷作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)（受力與變形）。外載荷：重力、浮力、波浪載荷、沖擊力以及慣性力等等。,如：把船整體當(dāng)作一根梁來研究-即船體梁,將“船體梁”(shiphullgirder)靜置于靜水中或波浪上，計算在船縱向(船長方向)分布的重力與浮力作用下的彎曲變形與應(yīng)力。,傳統(tǒng)解船體強度的方法：,靜置法,靜置法：將船體梁靜置于靜水和靜置于波浪上，然后按靜水效應(yīng)，研究船舶在重力和浮力作用下發(fā)生的彎曲變形和應(yīng)力。,1.1.2研究內(nèi)容,1.1.3學(xué)習(xí)目的,通過學(xué)習(xí)要掌握在給定的外力作用下如何確定結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力與變形，包括研究受壓構(gòu)件的穩(wěn)定性問題。,學(xué)習(xí)目的,1)具有對結(jié)構(gòu)進行強度校核的能力,2)具有進行結(jié)構(gòu)設(shè)計的能力,即對于已經(jīng)設(shè)計好的或建造好的結(jié)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)尺寸已知的條件下，在給定的外載荷或工況下，算出結(jié)構(gòu)的應(yīng)力與變形，并與許用值比較，從而判斷結(jié)構(gòu)的強度是否足夠。,即對于將要設(shè)計建造的結(jié)構(gòu)，在已知結(jié)構(gòu)的外力及許用應(yīng)力(或變形)的情況下，根據(jù)結(jié)構(gòu)中算得的應(yīng)力(或變形)的大小，定出結(jié)構(gòu)的尺寸。,如：“船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)”,“船舶強度與結(jié)構(gòu)設(shè)計”,“船舶振動”,作為基礎(chǔ),1.2結(jié)構(gòu)的組成,結(jié)構(gòu)是由不同類型的構(gòu)件組合而成的幾何不變體系。結(jié)構(gòu)在實現(xiàn)其功能的過程中始終保持構(gòu)件之間的相對位置不變直至結(jié)構(gòu)破壞（剛體移動或構(gòu)件之間的相對位置發(fā)生變化），這是結(jié)構(gòu)與機構(gòu)的本質(zhì)區(qū)別。幾何特征分類：桿系結(jié)構(gòu)、板殼結(jié)構(gòu)（注意板和殼的區(qū)別）幾何組成及承載形式分類：平面結(jié)構(gòu)、空間結(jié)構(gòu),1.2結(jié)構(gòu)的組成,桿系結(jié)構(gòu)：桿、梁、索和拱，主要區(qū)別體現(xiàn)在受力特征上板殼結(jié)構(gòu)：幾何特征是一個方向的尺寸遠遠小于其他兩個方向的尺寸；板主要承受沿板厚方向的荷載，以彎矩和剪力傳遞荷載，如樓板和船體；殼則主要以殼曲面內(nèi)的壓力傳遞荷載，如筒形Spar等。板架結(jié)構(gòu)：以連續(xù)梁組成的平面交叉梁系幾何組成及承載形式分類：平面結(jié)構(gòu)、空間結(jié)構(gòu),1.2.1新型的船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)物多體船：把兩個或更多的船體橫向以甲板固定在一起,高速船,水翼型高速船：船身底部有支架，裝上水翼。當(dāng)船的速度逐漸增加，水翼提供的浮力會把船身抬離水面，從而大為減少水的阻力和增加航行速度。,大型液化氣船,1.2.2傳統(tǒng)的采油平臺：導(dǎo)管架鉆井平臺,新型海洋海洋結(jié)構(gòu)物,活動式鉆井平臺：自升式鉆井平臺,自升式鉆井平臺,浮式生產(chǎn)系統(tǒng)（Floatingproductionstorageandoffloadingsystem,簡稱FPSO）,軟剛臂系泊浮式生產(chǎn)系統(tǒng),張力腿平臺TLP,Spar平臺一種用于深水的生產(chǎn)平臺,半潛式平臺1.鉆井平臺2.生產(chǎn)平臺3.施工平臺,海上風(fēng)力發(fā)電機,海洋工程結(jié)構(gòu)的發(fā)展歷程有兩個基本特點：一、從淺水逐漸向深水發(fā)展，從最初不足10m水深發(fā)展到2000m以上更深的海域作業(yè)；二、固定式結(jié)構(gòu)向順應(yīng)式結(jié)構(gòu)發(fā)展。,桿系結(jié)構(gòu)鳥巢,索結(jié)構(gòu)懸索橋,1.3荷載特征與主要失效形式,1.3.1荷載特征：靜態(tài)荷載：不隨時間而變化，包括水壓力、自重等緩慢變化載荷：隨時間緩慢變化，包括波浪分布壓力、液體貨物的晃動等快速變化載荷：隨時間快速變化或載荷變化呈短周期變化，稱之為沖擊載荷。船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)力學(xué)主要討論結(jié)構(gòu)在靜載作用下的響應(yīng)。,1.3荷載特征與主要失效形式,1.3.2失效模式：失效：實際上是衡準(zhǔn)準(zhǔn)則的統(tǒng)稱。損傷：由局部屈服或屈曲形成的過度永久變形以及由于疲勞或局部脆裂引起的裂紋。破壞：當(dāng)結(jié)構(gòu)損傷得很嚴重，以致它不能再履行其功能時，則認為結(jié)構(gòu)受到破壞。斷裂失效模式：疲勞斷裂、脆性斷裂失效模式延性失效模式：拉伸屈服、壓縮失穩(wěn)、遞增破壞,1.3荷載特征與主要失效形式,1.3.3船舶強度破壞的類型,1.總縱強度（船體梁-shiphullgirder）,總縱強度：將船作為一個整體（船體梁）來研究的強度問題。在分布重力和浮力共同作用下船體主要為應(yīng)力與彎曲變形，當(dāng)船舶順浪或逆浪航行，且波長與船長大致相等時，會出現(xiàn)“中拱”和“中垂”兩種狀況。,Hogging中拱sagging中垂,傳統(tǒng)研究方法靜置法,現(xiàn)常用研究方法波浪理論,1.3.3船舶強度破壞的類型,2.橫向強度(transversestrength),橫向強度：研究橫向構(gòu)件（如橫梁、肋骨、肋板等）的強度問題。,1.3.3船舶強度破壞的類型,3.局部強度(localstrength),局部強度：研究局部構(gòu)件（船底外板、底縱桁等）的強度問題。,1.3.3船舶強度破壞的類型,4.扭轉(zhuǎn)問題(torsion),扭轉(zhuǎn)問題：船在斜浪上航行，經(jīng)常與波浪斜交，導(dǎo)致船體發(fā)生扭轉(zhuǎn)，因此也就存在扭轉(zhuǎn)問題。,1.3.3船舶強度破壞的類型,5.屈服強度(Buckling),穩(wěn)定性問題：船體在總彎曲時船體受壓的構(gòu)件會因為受壓過度而喪失穩(wěn)定性。,1.3.3船舶強度破壞的類型,6.疲勞強度(fatigue),疲勞強度是指金屬材料在無限多次交變載荷作用下而不破壞的最大應(yīng)力稱為疲勞強度或疲勞極限。實際上，金屬材料并不可能作無限多次交變載荷試驗。,1.3.3船舶強度破壞的類型,7.應(yīng)力集中(stressconcentration),應(yīng)力集中：船體的不連續(xù)部位在交變載荷作用下，導(dǎo)致這些部位的應(yīng)力明顯大于名義應(yīng)力。,1.3.3船舶強度破壞的類型,8.船舶碰撞(collision),船舶碰撞：船舶之間或船舶與其它海洋結(jié)構(gòu)物的碰撞，導(dǎo)致船體受損。,1.4研究對象,船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)：梁、板和板架為主；,土木工程結(jié)構(gòu)力學(xué)：梁、剛架、索、拱等桿系結(jié)構(gòu)為主；,結(jié)構(gòu),荷載：力學(xué)模型為集中荷載和分布荷載兩大類荷載類型主要是重力、浮力、風(fēng)、浪、流、冰和地震荷載等。,1.5結(jié)構(gòu)的屬性,結(jié)構(gòu)的屬性即結(jié)構(gòu)承載能力的表現(xiàn)形式，包括：強度：結(jié)構(gòu)不發(fā)生因塑性變形（屈服）或材料破壞而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效；剛度：結(jié)構(gòu)不發(fā)生影響結(jié)構(gòu)功能實現(xiàn)的變形或失穩(wěn)。,1.6計算簡圖,結(jié)構(gòu)力學(xué)中的計算簡圖，是指實際結(jié)構(gòu)與計算模型之間的轉(zhuǎn)化，包括：結(jié)構(gòu)簡化：簡化的原則是結(jié)構(gòu)變形等效幾何荷載簡化：集中荷載與分布荷載載荷邊界條件簡化：支座簡化約束,1.6計算簡圖,研究方法：力法ForceMethod位移法DisplacementMethod能量法EnergyMethod有限元FEM,1.6計算簡圖,船舶結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件有兩類：,骨架包括橫梁、肋骨、縱骨、縱桁、扶強材、垂直桁、水平桁、支柱等,板包括船體外板、內(nèi)底板、各層甲板、縱橫艙壁、平臺等,支撐,骨架一般呈細長型，在船舶結(jié)構(gòu)中成為“桿件”,在船舶結(jié)構(gòu)中絕大多數(shù)“桿”的力學(xué)特征是“梁”承受彎曲，但在船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)中習(xí)慣上稱為“桿”。,相互連接的桿件成為“桿件系統(tǒng)”，簡稱“桿系”,船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)力學(xué)主要研究內(nèi)容：“桿”及“桿系”結(jié)構(gòu)的計算和板的計算,1.6計算簡圖,在研究船體板的問題時，通常把四周由縱橫骨架支持的那一部分作為研究對象即船體中的板簡化為具有矩形周界的平板,板上的荷重分兩類,第一類是垂直于板面的荷重：如作用于板上的水壓力,第二類是位于板平面的荷重：如在船體總彎曲時作用于船體板平面的應(yīng)力,連續(xù)梁、剛架和板架是船體結(jié)構(gòu)中三種典型的桿系,1、連續(xù)梁,上甲板縱骨，在上甲板的骨架中，縱骨的尺寸最小，它穿過強橫梁并通過橫艙壁在縱向保持連續(xù)。在計算縱骨時認為強橫梁有足夠的剛性支持縱骨，從而可作為縱骨的剛性支座?？v骨在橫艙壁處則作為剛性固定端，這樣就得到圖中的計算圖形，即連續(xù)梁.,下面以一般的遠洋干貨船為例，簡化典型的桿系介紹如下：,2、甲板,在上甲板(或下甲板)的骨架中，甲板縱桁與艙口端橫梁尺寸最大，在計算時常可略去其他骨架對它們的影響，于是在研究甲板縱桁與艙口端橫梁時就得到了一個井字形的平面桿系，如圖A。此種桿系因外載荷垂直于桿系平面而發(fā)生彎曲，稱為“交叉梁系”(grillage)或“板架”。如果艙口端橫梁中點有支柱或半艙壁，就又可化為圖1-9(b)中的板架,3、剛架,