船舶結構強度設計第一章

1、L o g oL o g o 船舶強度與結構設計船舶強度與結構設計 第一章 船舶靜置在波浪上的外力計算 L o g oL o g o 本節(jié)內容本節(jié)內容 概述概述1 靜水彎矩計算靜水彎矩計算2 波浪附加彎矩計算波浪附加彎矩計算3 剪力和彎矩計算實例剪力和彎矩計算實例4 L o g oL o g o 概述概述 船舶在波浪上的變形特征于受力 靜置：1）船舶與波浪相對速度為零；2）船體重力和浮 力處于平衡狀態(tài)。 1、船舶在波浪上的受力與變形特征 2、計算工況：滿載出港、滿載到港、壓載出港、壓載 到港（10%消耗品） 3、船體產生彎矩和剪力的原因 4、船體斷面彎矩的組成：靜水彎矩+波浪附加彎矩 L o

2、g oL o g o 中垂變形中垂變形(sagging) 中拱變形中拱變形(hogging) 船體受負彎矩作用，中部的浮船體受負彎矩作用，中部的浮 力小于重力，首尾部的浮力大于力小于重力，首尾部的浮力大于 重力；船舶上甲板受壓，船底受重力；船舶上甲板受壓，船底受 拉，發(fā)生中部下垂的變形。拉，發(fā)生中部下垂的變形。 船體受正彎矩作用，中部的浮力船體受正彎矩作用，中部的浮力 大于重力，首尾部的浮力小于重大于重力，首尾部的浮力小于重 力；船舶上甲板受拉，船底受壓，力；船舶上甲板受拉，船底受壓， 發(fā)生中部上拱的變形。發(fā)生中部上拱的變形。 L o g oL o g o dM dM：中垂變形：中垂變形 dM

3、 dM：中拱變形：中拱變形 dM dM：無拱垂變形：無拱垂變形 M dd )dd( 2 1 d AFM 首尾平均吃水：首尾平均吃水： 拱垂判定：拱垂判定： 拱垂值：拱垂值： 利用吃水判定船舶的拱垂利用吃水判定船舶的拱垂 L o g oL o g o 概述概述 v計算原理計算原理 總縱彎曲應力計算的基本原理:根據(jù)材料力學中的柏努利 梁理論,計算船體梁的總縱彎曲應力。根據(jù)材料力學的理 論，受彎曲梁中應力按下式計算： 式中：M 計算剖面的總縱彎矩 I 剖面慣性矩 Z 距離中和軸的距離 ii z I M j j W M j j z I W L o g oL o g o 概述概述 本書介紹的船體強度計算

4、方法是標準計算方法，也是一 種比較強度計算方法。為什么說是比較強度，不是真實 強度？ 比較強度與概率方法的比較。 L o g oL o g o 靜水彎矩計算靜水彎矩計算 v計算原理計算原理 總縱彎曲應力計算的基本原理:根據(jù)材料力學中的柏努利 梁理論,計算船體梁的總縱彎曲應力。根據(jù)材料力學的理 論，受彎曲梁中應力按下式計算： 式中：M 計算剖面的總縱彎矩 I 剖面慣性矩 Z 距離中和軸的距離 ii z I M j j W M j j z I W L o g oL o g o 靜水彎矩計算靜水彎矩計算 v計算原理計算原理 靜水彎矩：顧名思義，船舶靜置在靜水中產生的彎矩。 船舶正浮條件：1）重力浮力

5、相等；2）重心浮心在同一 鉛垂線上。 所以，彎矩計算可以進一步分為兩部分：重力引起和浮 力引起的。 L o g oL o g o 靜水彎矩計算靜水彎矩計算 v計算原理計算原理 基本計算公式 )x(b)x(b)x(pxbxpxq s x x s x dx)x( bdx)x(b)x( pdx)x( qxN 0 0 0 ) x(N) x(N ws ws x w x x s MMdxxNdxxNdxxNxM 0 0 0 )()()( L o g oL o g o l 3、負荷曲線（、負荷曲線（Load curve） v 5、彎矩曲線（、彎矩曲線（Bending moment curve） v4、剪力曲

6、線（、剪力曲線（Shear curve） v1、重量曲線、重量曲線（Weight curve） )( x W l 2、浮力曲線（、浮力曲線（Buoyancy curve） )x( )x()x()x( Wq x 0 )x()x( dxqN x 0 x 0 )x( x 0 )x()x( dxqdxNM 示例示例 實例實例 L o g oL o g o )x( W1、 )x( 2 、 )x()x()x( Wq3 、 x 0 )x()x( dxqN4、 x 0 x 0 )x( x 0 )x()x( dxq dxNM5、 結論結論 L o g oL o g o x 0 )x()x( dxqN x 0 )

7、x()x( dxNM 5t5t d X X OBACD OBACD OB A CD 0.5t/m 1t/m 1.5t/m 2.5t -2.5t 12.5t.m -0.5t/m 0.5t/m )x( W )x( )x()x()x( Wq m20L , t10W0 結論結論 L o g oL o g o 剪力最大值剪力最大值Nmax： 彎矩最大值彎矩最大值Mmax ： X OB A CD 2.5t -2.5t 12.5t.m 0.5t/m 位于距位于距首尾首尾L/4剖面剖面的的中和軸中和軸處；處； 位于位于船中剖面船中剖面的的上甲板上甲板處。處。 位于距位于距首尾首尾L/4的剖面處；的剖面處； 位

8、于位于船中剖面船中剖面處。處。 剪應力最大值剪應力最大值max： 彎曲應力最大值彎曲應力最大值max ： L o g oL o g o 靜水彎矩計算靜水彎矩計算 v重量分布重量分布 重量分布曲線：表示船長方向單位長度上重量大小的曲 線。 重量曲線的物理意義：面積等于全船重量，形心為船舶 重心。 1、船舶重量的分類 2、重量的分配原則 重量不變，重心不變，范圍不變，站距均布 L o g oL o g o 靜水彎矩計算靜水彎矩計算 主體鋼料及舾裝分配（全船性重量分配）主體鋼料及舾裝分配（全船性重量分配） 1）梯形分布方法 單位長度重量，均布為W/L，平行舯體部分構件強 大，重量集度大，因此，重量分

9、布沿船長方向應該為 中間集度大，向首尾逐漸減小。 圖1、重量沿船長方向的分布 L o g oL o g o 靜水彎矩計算靜水彎矩計算 系數(shù)系數(shù)a，b，c的確定的確定 方程的建立原則：面積=重量 面積形心=重心 提供兩個方程，根據(jù)船舶的外形，豐滿程度，補充第三 個條件確定系數(shù)b，則可確定系數(shù)a和c。重量等于面積 和形心等于重心得 L x ca cab g 7 108 64 L o g oL o g o 靜水彎矩計算靜水彎矩計算 對于瘦形船舶，b=1.195,對于豐滿 的船舶，b=1.174。得 到如下確定a和c的公式 L x c L x a g g 7 54 61. 0 7 54 61. 0 對

10、肥型船舶，b=1.174，則 L x c L x a g g 7 54 652. 0 7 54 652. 0 L o g oL o g o 靜水彎矩計算靜水彎矩計算 局部性重量分配局部性重量分配 1）分布在兩個站距內的重量 L o g oL o g o 靜水彎矩計算靜水彎矩計算 2）分布在三個站距內的重量 課后大家推導一下。 L o g oL o g o 靜水彎矩計算靜水彎矩計算 分布在站外的重量處理 各站間重量疊加，得到各個站間的重量，如下圖所示： L o g oL o g o 靜水彎矩計算靜水彎矩計算 浮力曲線浮力曲線 縱傾調整方法：解析法和逐步近似法。調整船舶在靜水 中的縱傾時，用逐步近

11、似法比較方便。 進行縱傾調整時，應具有邦戎曲線、靜水力曲線以及船 舶重量重心等資料。 假定:1)縱傾調整過程中,水線面面積A不變；2）漂心位置 不變；3）不計船體變形的影響。 L o g oL o g o 靜水彎矩計算靜水彎矩計算 L o g oL o g o 如果上式不滿足，說明船舶處于不平衡狀態(tài)，需要調整首 尾的吃水，調整船舶浮心的縱向位置。 L%.xx bg 10 由型排水體積，查處dm 計算排水體積、縱向坐 標 ,漂心 ,、水線面面積A、縱穩(wěn)心M半徑、浮心高度 和浮心縱向位置。 檢查浮心的縱向位置和重心的縱向位置，精度 b x f x 靜水彎矩計算靜水彎矩計算 L o g oL o g

12、 o 第一次調整首尾吃水 使浮心向船首移動，增大首吃水 和減小尾吃水 。 圖 第一次縱傾調整 a d f d L o g oL o g o )2/( fmf xLdd )2/( fma xLdd 假定縱傾角為 ，則首尾吃水為 使船首傾力矩為使船尾傾力矩為 MGH 0 GCHR 0 0 HR 于是得 sinBR 船舶縱搖平衡時sin)(BRxxW bg R xx bg 為小量。 )xx(W bg sin 0 BH L o g oL o g o R xx )x/L(dd bg fmf 2 R xx )x/L(dd bg fma 2 由da和df在邦戎曲線上作出水線， 邦戎曲線 L o g oL o

13、 g o 當上述條件不滿足時，說明船舶仍未達到受力和力矩的平衡， 繼續(xù)改變首尾吃水，進行調整。 第2次調整首尾吃水 001 50V%.VVL%.xx bg 10 1 比較排水體積和 ，比較 浮心縱向位置 和重心的縱向位置 0 V g x 1b x L o g oL o g o R xx )x/ L( A VV dd bg fmf 2 10 R xx )x/L( A VV dd bg fma 2 10 如果V0大于 V1，則船舶增加吃水，加大排水量；如果如果V0 小于 V1，則船舶減小吃水，減小排水量。 按照上述步驟進行，直至滿足精度要求，表示船舶已經達 到平衡狀態(tài)。 L o g oL o g

14、o 靜水彎矩計算靜水彎矩計算 載荷曲線計算公式 剪力和彎矩曲線的特征 1）首尾端剪力和彎矩為零； 2）彎矩曲線上任意點的斜率，等于該剖面的剪力，因 此彎矩最大剖面， 剪力為零 ； 3）在1/4船長剖面，彎矩曲線出現(xiàn)拐點，該剖面剪力出 現(xiàn)極大值。 xbxpxq s L o g oL o g o 波浪附加彎矩計算波浪附加彎矩計算 關鍵：確定船舶在波浪中浮力的改變量關鍵：確定船舶在波浪中浮力的改變量 波浪附加彎矩的標準計算方法波浪附加彎矩的標準計算方法 1、船舶與波浪的相對位置 兩種遭遇狀態(tài)：波峰在船中；波谷在船中。 2、波浪參數(shù)的確定 （1）波形 ：二維坦谷波（trochodal wave ）。

15、L o g oL o g o 波浪附加彎矩計算波浪附加彎矩計算 特點：波峰較陡，波谷平坦，關于波軸線上下不對稱。 （2）波長 當船舶長度與波長的為何比例時，船舶受力較大？這 是確定波長的原則。 圖 船舶遭遇不同波長的波浪 L o g oL o g o 波浪附加彎矩計算波浪附加彎矩計算 引起較大載荷的波浪：1.1倍船長。 計算中，取波長等于船長，即 波浪附加彎矩的標準計算方法： （1）船舶靜置于波浪上，船舶航向與波浪傳播方向相同； （2）取二維坦谷波為波浪模型，取波長等于船長； （3）船中分別位于波峰和波谷。 L L o g oL o g o 波浪附加彎矩計算波浪附加彎矩計算 坦谷波形的繪制方法

16、坦谷波形的繪制方法 在邦戎曲線上作出坦谷波形，得到各站吃水，便可以確 定各個站的橫剖面浸水面積。 取圓盤的半徑為R，距離圓心的點 P0，并且有 2 R 0 0 2 P h r 圓盤滾動一周，P0點的軌跡，即為坦谷波形。 cosry sinrx 2坦谷波形的方程為： 圖中，圓心水平移動距離為 。 2 10 OO L o g oL o g o 波浪附加彎矩計算波浪附加彎矩計算 圖 坦谷波形的形成 L o g oL o g o 波浪附加彎矩計算波浪附加彎矩計算 波浪中附加剪力和彎矩的計算公式 x wsw dx)x(b)x(b)x(N 0 x ww dxxNxM 0 )( )x(bw為波浪中平衡時的浮力曲線。 L o g oL o g o 波浪附加彎矩計算波浪附加彎矩計算 需要確定的一點是：船在波浪中平衡的位置。靜水狀態(tài) 下可以確定水線的位置，波浪狀態(tài)下水線是一條曲線， 船體各部分吃水不同，且船尾、船