01海洋工程結(jié)構(gòu)力學(xué)-緒論

1、船舶與海洋工程學(xué)院船舶與海洋工程學(xué)院 船舶與海洋工程船舶與海洋工程 結(jié)構(gòu)力學(xué)結(jié)構(gòu)力學(xué) A13海工海工 白興蘭白興蘭 聯(lián)系電話：聯(lián)系電話：669013 Email: 三大力學(xué)的關(guān)系三大力學(xué)的關(guān)系 理論力學(xué)：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)：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

2、，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)：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。 目目 錄錄 第第1 1章章 緒論緒論 第第2 2章章 單跨梁的彎曲理論單跨梁的彎曲理論 第第3 3章章 平面桿系結(jié)構(gòu)計算平面桿系結(jié)構(gòu)計算 第第4 4章章 桁架結(jié)構(gòu)與線狀結(jié)構(gòu)分析桁架結(jié)構(gòu)與線狀結(jié)構(gòu)分析 第第5 5章章 能量原理及其應(yīng)用能量原理及其應(yīng)用 第第6 6章章 薄平板的彎曲分析薄平板的彎曲分析 第第7 7章章 圓筒形薄殼的靜力分析圓筒形薄殼的靜力分析 第第8 8章章 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析 第第9 9章章 薄壁桿件

3、的扭轉(zhuǎn)薄壁桿件的扭轉(zhuǎn) 專業(yè)介紹專業(yè)介紹 n 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。 n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)）； 課程介紹課程介紹 n 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

4、， 主要結(jié)構(gòu)形式為梁結(jié)構(gòu)梁結(jié)構(gòu)、剛架結(jié)構(gòu)剛架結(jié)構(gòu)、板架結(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） n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、正常工作的保證結(jié)構(gòu)安全、正常工作的 三大要素：三大要素： 強度、剛度、穩(wěn)定性強度、剛度、穩(wěn)定性 第第1章章 緒論緒論 1.1 學(xué)習的目的和任務(wù)學(xué)習的目的和任務(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

5、的強度與 剛度的標準。 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：目標：強度校核、結(jié)構(gòu)設(shè)計 1.1.1 學(xué)習目的學(xué)習目的 安全可靠安全可靠 結(jié)構(gòu)設(shè)計的標準結(jié)構(gòu)設(shè)計的標準 經(jīng)濟適用經(jīng)濟適用 科學(xué)先進科學(xué)先進 船舶船舶 完成完成 任務(wù)任務(wù) 的的 前提前提 1良好的航行性能良好的航行性能 3具有一定的強度具有一定的強度 2良好的工作性能良好的工作性能 船舶具有一定的強度船舶具有一定的強度，是指船體結(jié)構(gòu)在正常，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，以保證船舶能或不發(fā)生過大的變形的能力，以保證船舶能 正常地工

6、作。正常地工作。 1.1.2 研究內(nèi)容研究內(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。 分析結(jié)構(gòu)受力和變形的主要特征分析結(jié)構(gòu)受力和變形的主要特征 建模：建模： 如：把船整體當作一根梁如：把船整體當作一根梁 來研究來研究-即船體梁即船體梁 將將“船體梁船體梁”(ship hull girder) 靜靜 置于靜水中或波浪上，計算在船縱向置于靜水中或波浪上，計算在船縱向( 船長方向船長方向)分布的重力與浮力作用下的分布的重力與浮力作用下的 彎曲變形與應(yīng)力。彎曲變形與應(yīng)力。 傳統(tǒng)解船體強度的方法：傳統(tǒng)解船體強度的方法： 靜置法靜置法 靜置

7、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)，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。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)容研究內(nèi)容 1.1.3 學(xué)習目的學(xué)習目的 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。與變形，包括研究受壓構(gòu)件的穩(wěn)定性問題。 1)具有對結(jié)構(gòu)進行強度校核的能力具有對結(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

8、條即對于已經(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，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。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 (或變形或變形)的情況下，根據(jù)結(jié)構(gòu)中算得的應(yīng)力的情況下，根據(jù)結(jié)構(gòu)中算得的應(yīng)力(或變形或變形)的大小，的大小， 定出結(jié)構(gòu)的尺寸。定出結(jié)構(gòu)的尺寸。 1.2 結(jié)構(gòu)的組成結(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

9、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

10、結(jié)構(gòu)物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 高速船高速船 水翼型高速船：船身底部有支架，裝上水翼。當船的速水翼型高速船：船身底部有支架，裝上水翼。當船的速 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。大為減少水的阻力和增加航行速度。 大型液化氣船大型液化氣船 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：自升式鉆井平臺活動式鉆井平臺：自升式鉆井平

11、臺 自升式鉆井平臺自升式鉆井平臺 浮式生產(chǎn)系統(tǒng)（浮式生產(chǎn)系統(tǒng)（Floating production storage and offloading system, 簡稱簡稱FPSO） 軟剛臂系泊浮式生產(chǎn)系統(tǒng)軟剛臂系泊浮式生產(chǎn)系統(tǒng) 張力腿平臺張力腿平臺TLPTLP SparSpar平臺平臺 一種用于深水的生產(chǎn)平臺一種用于深水的生產(chǎn)平臺 半潛式平臺半潛式平臺 1. 鉆井平臺 2. 生產(chǎn)平臺 3. 施工平臺 海上風力發(fā)電機海上風力發(fā)電機 海洋工程結(jié)構(gòu)的發(fā)展歷程有兩個基本特點：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，從最初不足一、從淺水逐漸向深水發(fā)展，從最初不足10m水水 深

12、發(fā)展到深發(fā)展到2000m以上更深的海域作業(yè)；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。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)桿系結(jié)構(gòu)鳥巢鳥巢 索結(jié)構(gòu)索結(jié)構(gòu)懸索橋懸索橋 1.3 荷載特征與主要失效形式荷載特征與主要失效形式 1.3.1荷載特征：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荷載特征與主要失效形式 1.3.2 失效模式：失效模式：

13、失效失效：實際上是衡準準則的統(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荷載特征與主要失效形式 船船 舶舶 與與 海海 洋洋 工工 程程 主主 要要 破破 壞壞 形形 式式 （1 1）強度破壞）強度破壞 因結(jié)構(gòu)強度不足，經(jīng)受不住風浪的打擊所形成的破壞 因在應(yīng)力集中區(qū)域產(chǎn)生裂縫，逐漸向甲板、舷側(cè)延伸，嚴重 時可導(dǎo)致整船折斷。 （2 2）應(yīng)力集中破壞）應(yīng)力集中破壞

14、（3 3）穩(wěn)定破壞）穩(wěn)定破壞 因有構(gòu)件失穩(wěn)出現(xiàn)惡性循環(huán)，使受壓構(gòu)件逐個失穩(wěn)，導(dǎo)致整個 結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的破壞 （4 4）疲勞破壞）疲勞破壞 在交變應(yīng)力經(jīng)過大量循環(huán)之后，結(jié)構(gòu)上裂紋變得足夠大，致使 構(gòu)件發(fā)生斷裂 1.3.3 船舶強度破壞的類型船舶強度破壞的類型 1.總縱強度（船體梁總縱強度（船體梁-ship hull girder） 總縱強度：總縱強度：將船作為一個整體（船體梁）來研將船作為一個整體（船體梁）來研 究的強度問題。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，當船舶順浪或逆浪航行，且波長與船長大致相等時，會形，當船舶順

15、浪或逆浪航行，且波長與船長大致相等時，會 出現(xiàn)出現(xiàn)“中拱中拱”和和“中垂中垂”兩種狀況。兩種狀況。 Hogging中拱中拱 sagging 中垂中垂 傳統(tǒng)研究方法靜置法傳統(tǒng)研究方法靜置法現(xiàn)常用研究方法波浪理論現(xiàn)常用研究方法波浪理論 1.3.3 船舶強度破壞的類型船舶強度破壞的類型 2.2.橫向強度橫向強度(transverse strength) 底 縱 桁 外 地 板 內(nèi) 地 板 橫 艙 壁橫 艙 壁 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船舶強度破壞的類型 3 3. .局部局部強度強度(local strength) 局部強度：研究局部

16、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船舶強度破壞的類型 4 4. .扭轉(zhuǎn)問題扭轉(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船舶強度破壞的類型 5 5. .屈服強度屈服強度 (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船舶強度破壞的類型 6 6. .疲勞強度疲勞強度(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，

17、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船舶強度破壞的類型 7 7. .應(yīng)力集中應(yīng)力集中(stress concentration) 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船舶強度破壞的類型 8 8. .船舶碰撞船舶碰撞 (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 研究對象研究對象 船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)：梁、板和板架為主；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、拱等桿系土木工程結(jié)構(gòu)力學(xué)：梁、剛架、索、拱等桿系 結(jié)構(gòu)

18、為主；結(jié)構(gòu)為主； 結(jié)構(gòu)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：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、浪、流、荷載類型主要是重力、浮力、風、浪、流、 冰和地震荷載等。冰和地震荷載等。 1.5 結(jié)構(gòu)的屬性結(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：結(jié)構(gòu)的屬性即結(jié)構(gòu)承載能力的表現(xiàn)形式，包括： 強度強度：結(jié)構(gòu)不發(fā)生因塑性變形（屈服）或材料：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；破壞而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效； 剛度剛度：結(jié)構(gòu)不發(fā)生影響結(jié)構(gòu)功能實現(xiàn)的變形或：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)。失穩(wěn)。 1.6 計算簡圖計算簡圖 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)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：化，包括： 結(jié)構(gòu)簡化結(jié)構(gòu)簡化：簡化的原則是結(jié)構(gòu)變形等效：簡化的原則是結(jié)構(gòu)變形等效幾何幾何 荷載簡化荷載簡化：集中荷載與分布荷載：集中荷載與分布荷載載荷載荷 邊界條件簡化邊界條件簡化：支座簡化：支座簡化約束約束 1.6 計算簡圖計算簡圖 研究方法：研究方法： 力 法Force Method 位移法Displacement Method 能量法Energ