船體部強度計算[上課教學]

1、船體強度與結構設計船體強度與結構設計 天津大學建筑工程學院船舶工程系天津大學建筑工程學院船舶工程系 1教學類別 第三章第三章 船體結構局部強度計算船體結構局部強度計算 局部強度：指局部結構抵抗局部載荷而不破壞的能力。局部強度：指局部結構抵抗局部載荷而不破壞的能力。 局部載荷：倉室貨物、甲板上浪、設備重量及設備運轉載荷，舷外水壓力等。局部載荷：倉室貨物、甲板上浪、設備重量及設備運轉載荷，舷外水壓力等。 局部結構：甲板板架、船底板架、肋骨框架、倉壁結構、板格、縱骨、橫梁局部結構：甲板板架、船底板架、肋骨框架、倉壁結構、板格、縱骨、橫梁 等。等。 本章介紹船舶局部強度計算的有關內容本章介紹船舶局部強

2、度計算的有關內容: :(1)(1)建立模型建立模型;(2);(2)載荷計算載荷計算;(3);(3) 簡化計算方法簡化計算方法;(4);(4)有限單元法問題。有限單元法問題。 3.1 3.1 局部強度計算的力學模型局部強度計算的力學模型 力學模型：力學模型：反映結構的實際反映結構的實際受力特點受力特點和和變形特征變形特征而又便于計算的簡化的結構而又便于計算的簡化的結構 系統(tǒng)，稱為力學模型或計算模型。系統(tǒng)，稱為力學模型或計算模型。 3.1.13.1.1建立力學模型的原則建立力學模型的原則 2教學類別 （1 1）計算方法）計算方法 手工計算：則模型應該簡化較大；手工計算：則模型應該簡化較大； 計算機

3、求解：則可取復雜的計算模型計算機求解：則可取復雜的計算模型 （2 2）結構的重要性）結構的重要性 破壞后果嚴重的船舶，直接或間接損失大的船舶，則應考慮較復破壞后果嚴重的船舶，直接或間接損失大的船舶，則應考慮較復 雜的計算模型；雜的計算模型； （3 3）設計階段）設計階段 方案設計階段：技術資料不全，則模型可取簡單；在詳細設計階段，應方案設計階段：技術資料不全，則模型可取簡單；在詳細設計階段，應 該取復雜的計算模型，盡量反映結構的實際。該取復雜的計算模型，盡量反映結構的實際。 3.1.23.1.2力學模型尺寸的確定力學模型尺寸的確定 1 1、板架模型尺寸：縱向取橫倉壁之間的距離，寬度方向取兩舷、

4、板架模型尺寸：縱向取橫倉壁之間的距離，寬度方向取兩舷肋骨中和軸肋骨中和軸 與橫向構件中和軸的交點。與橫向構件中和軸的交點。 3教學類別 圖、圖、 橫向框架確定橫向框架確定 2 2、肋骨框架尺寸、肋骨框架尺寸 模型尺寸的起始位置：取肋板中和軸與肋骨中和軸的交點，甲板取肋骨中和模型尺寸的起始位置：取肋板中和軸與肋骨中和軸的交點，甲板取肋骨中和 軸與橫梁中和軸的交點。軸與橫梁中和軸的交點。 4教學類別 3.1.3 3.1.3 結構邊界約束條件結構邊界約束條件 1、常見支座形式的表示方法 （1）自由支持支座： （2）剛性固定： （3）彈性支座： （4）彈性固定支座： （5）滑動支座： 5教學類別 2

5、2、局部結構支座的確定、局部結構支座的確定 （1 1）縱骨邊界條件）縱骨邊界條件 圖、船底縱骨強度計算模型圖、船底縱骨強度計算模型 邊界條件：單跨縱骨兩端剛性固定。邊界條件：單跨縱骨兩端剛性固定。 6教學類別 甲板縱骨穩(wěn)定性計算邊界約束：甲板縱骨穩(wěn)定性計算邊界約束： 圖、圖、 甲板縱骨變形及約束條件甲板縱骨變形及約束條件 邊界條件邊界條件: :穩(wěn)定性分析時兩端自由支持。穩(wěn)定性分析時兩端自由支持。 7教學類別 （2）舷側肋骨上下約束條件 圖、圖、 舷側肋骨變形及約束條件舷側肋骨變形及約束條件 兩端簡支梁,端部2施加單位力矩時,引起的端部2轉角為: EI l 3 l EI k 3 抗轉剛度為 EI

6、 l 3 8教學類別 無甲板載荷，無載荷跨簡化為受載荷結構的約束。甲板橫梁給肋骨提供 彈性抗轉約束,抗轉剛度系數(shù)為 抗轉剛度為： l EI k 3 （3）多跨梁：無載荷跨轉化為受載跨的約束 l EI l I 單位長度的慣性矩,稱為線剛度。 線剛度 9教學類別 圖、 多跨梁簡化圖 （4）板架邊界條件 多跨梁：無載荷跨轉化為受載跨的約束 10教學類別 1）倉壁處：一般為剛性固定 2）舷側：自由支持 （5）板架構件之間的相互支持關系： 交叉構件與主向梁 ，I ，i 假定交叉構件（長構件）支持主向梁，單位面積載荷為q。k 點的位移為 R R k k 交叉構件 l L 主向梁 11教學類別 Ei Rl

7、Ei lQ y 48384 5 33 1 1 短梁中點k : 2 1 L qlQ 短梁支持載荷 長梁中點k ： EI RL EI LQ y 48384 5 33 2 2 2 2 l qLQ 長梁支持載荷： 則 21 yy 1 1 16 5 qlLR支反力R為： iL Il 3 3 12教學類別 iL Il 3 3 0R 長梁支持短梁 0R 短梁支持長梁 當 max RR, qlLRR 16 5 lim max 長梁支持短梁的最大支持力： 因為支持關系由 決定，調整比值 ，可以改變支持關系。相互支持 條件為 1 1 3 3 iL Il 13教學類別 交叉構件的計算模型為： 3.1.4結構模型化的

8、處理 （1）利用對稱性 （2）等效剛度的利用 3.1.5 載荷模型 1、載荷的確定原則 （1）確定載荷的大小及性質：動力、靜力、常規(guī)、偶然作用 （2）載荷作用在哪些構件上 （3）載荷的組合 橫梁 縱桁 14教學類別 2、不同結構部位的載荷： （1）甲板載荷：甲板貨物、甲板上浪 （2）倉內載荷：載貨和船底水壓力組合 （3）舷側水壓力：吃水加上半波高 2 B h dh d-吃水，hB-波高。 3、結構構件的幾何抗彎特性計算：帶板寬度 帶板 帶板 CCS關于帶板面積規(guī)定： fbtA10 3/2 )/(3 . 0blf 縱骨： l：構件跨度，b:縱骨間距；肋板：構件跨度，b為肋距。 d 2/ B h

9、l 15教學類別 3.3.2甲板結構強度計算 載荷確定：規(guī)范中規(guī)定的計算壓頭 縱桁帶板寬度：)6/,(lbMinbe p設計載荷，不小于8.5kPa 16教學類別 甲板構件計算。對于露天甲板，橫梁剖面模數(shù)W按照下式計算 2 BshlW B船舶型寬；s橫梁間距；h計算壓頭；l橫梁跨度 。 1、具有艙口的甲板板架強度計算 橫倉壁 艙口縱桁力學模型 艙口端梁力學模型： 1）縱桁處剛性固定：載荷對 稱，結構對稱，轉角為零； 2）舷側位移為零，轉角不為 零。 3）承受載荷為來自縱桁的反 力R。 艙口縱桁力學模型： 1）橫艙壁處剛性固定 2）艙口強橫梁自由支持縱桁 3）承受均布載荷 圖、倉口甲板結構 倉口

10、區(qū)強橫梁 艙口短縱桁倉口縱桁 17教學類別 艙口縱桁載荷： 縱桁支撐寬度： hbBq)( 2 1 110 11 bB hbBq)2/( 2 1 111 （中縱剖面有半艙壁時） 艙口區(qū)強橫梁計算模型：艙口區(qū)強橫梁計算模型： 強橫梁剖面，肋骨也為強肋骨，互相約束轉角。故強橫梁舷側為彈 性固定約束，縱桁對其提供自由自持。 圖、強橫梁計算模型圖、強橫梁計算模型 k 18教學類別 3.43.4結構強度有限元計算結構強度有限元計算 3.4.1 3.4.1 計算原理計算原理 3.4.2 3.4.2 有限元計算奇異性處理有限元計算奇異性處理 剛度矩陣的奇異性：剛度矩陣的奇異性：指有限元計算時，由于單元的處理不

11、當或者邊界約束處指有限元計算時，由于單元的處理不當或者邊界約束處 理不合理，使結構總體剛度矩陣行列式的值為零，從而導致結構位移趨于無理不合理，使結構總體剛度矩陣行列式的值為零，從而導致結構位移趨于無 限大限大, ,引起計算失敗。引起計算失敗。 1 1、外部奇異性處理：排除剛體位移、外部奇異性處理：排除剛體位移 圖、 矩形框接結構奇異性的解決方案問題 施加外部約 束 施加內部 約束 19教學類別 圖、圖、 共面節(jié)點共面節(jié)點 2 2、內部奇異性處理：局部奇異性處理、內部奇異性處理：局部奇異性處理 共面節(jié)點：當數(shù)個桿件在平面內一點相交時，稱為共面節(jié)點。共面節(jié)點：當數(shù)個桿件在平面內一點相交時，稱為共面

12、節(jié)點。 共面節(jié)點法向如果沒有剛度貢獻，則引起剛度矩陣的奇異性。共面節(jié)點法向如果沒有剛度貢獻，則引起剛度矩陣的奇異性。 A為共面節(jié)點 B節(jié)點法向沒 有剛度貢獻 20教學類別 3.5 實際工程算例 以沿海多用途甲板駁船為例介紹。 1、甲板板架強度計算 （1 1）計算方案）計算方案 甲板載荷：甲板載荷：5 5噸噸/ /每平方米每平方米 N o . 1 壓載艙（右）N o . 2 壓載艙N o . 3 壓載艙 尾錨絞車艙（左） N o . 1 壓載艙（左） 廚 房 1 4 . 4 m 2 淡水艙 尾錨絞車艙（右） 燃油艙 4 6 . 0 8 m 3 1 0 . 4 m 3 機 艙 污 油 水 艙 空

13、艙 2 3 m 3 餐廳 3 4 . 5 m 2 儲物 1 4 . 4 m 2 1 2 m 2 TV 2 0 m 2 浴廁室 休息室 2 1 . 6 m 2 T V 值班室 焊接工作站管線張緊器 重力水柜 甲板室頂 B L 設計水線 會議室 儲物間 充放電 淡水 重力水柜 淡水 重力水柜 海水 海水 N o . 4 壓載艙（右）N o . 5 壓載艙（右） 數(shù)量 審定 審核 校對 標記 標記 設繪 日期 簽 字修改單號 描校 日期 首錨絞車艙（右） 標 記 天津大學建工學院船舶工程系 沿海多用途甲板駁船 總 布 置 圖 共 T D 7 0 7 - 1 0 0 - 0 2 基 本 設 計 重 量

14、 頁第頁 比 例 N o . 6 壓載艙（右） 空 艙 N o . 4 壓載艙（左） 空 艙 N o . 5 壓載艙（左） 艙 底 焊接工作站 空 艙 首錨絞車艙（左） N o . 6 壓載艙（左） A / R 絞車 主 甲 板 設計吃水 總 長 水 線 長 設計水線 B L 主 要 量 度 2 . 8 0 米 6 9 . 6 0 米 6 9 . 6 0 米 梁 拱 型 深 型 寬 0 . 1 2 米 4 . 5 0 米 2 4 . 0 0 米 A 2 ，1 ：1 0 0 ，白：0 . 4 ，其他：0 . 1 5 甲板駁船 21教學類別 圖、結構坐標系 （2 2）計算步驟）計算步驟 1 1）結構離散及載荷處理）結構離散及載荷處理 22教學類別 圖、 甲板板架計算模型及結構離散 (3) (3) 計算結果及結論