第四章船舶結構強度與結構設計課件

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四章 船體結構設計 L o g oL o g o本節(jié)內容本節(jié)內容船體結構設計概述船體結構設計概述1型材剖面設計型材剖面設計2型材的穩(wěn)定性計算型材的穩(wěn)定性計算3待定待定4L o g oL o g o船體結構設計概述船體結構設計概述船舶設計過程合同設計，初步設計，詳細設計，生產設計，完工設計。合同設計：談判，初步的技術指標，船用途、主尺度、航速、主機、工期；初步設計：豐滿合同設計的各項指標。具體表現：型線圖，總布置圖，外板展開圖，以及一系列計算書（浮性、穩(wěn)性，快速性，耐波性，安全性）詳細設計：完善除生產過程外的所有準備技術工作。如：

2、肋骨型線圖，分段結構圖。L o g oL o g o船體結構設計概述船體結構設計概述完工設計：歸檔存檔船舶主尺度、船體型線、船舶建筑形式、甲板層數、內底分布、艙壁位置，最初確定的。結構設計的任務是在上面的基礎上決定船體結構形式、構件尺寸和連接方法。成功的設計乃是合理地選擇結構材料，保證結構具有必須的強度和剛性的情況下，使結構重量最輕。L o g oL o g o船體結構設計概述船體結構設計概述規(guī)范設計法：簡便，安全，不易反應具體船舶特點、新技術成果，適用于常規(guī)的民船直接規(guī)范設計和間接規(guī)范設計，前者根據船型、船籍和主尺度直接查規(guī)范確定結構形式和構件尺寸，后者是參考母型，取構件尺寸，根據規(guī)范修正尺

3、寸大小。直接計算法：合理，可反映具體船舶特點，但計算工作量大，適用于軍船，大新特民船（高附加值）L o g oL o g o船體結構設計概述船體結構設計概述計算設計所謂計算設計，其實質就是依據作用在結構上的外力，從強度和穩(wěn)定性條件出發(fā)，選擇適當的結構型式和構件尺寸。船體結構形式：船體是由板和型材組成的薄壁結構，即板架結構。根據位置和受力特點，認為分為船底板架、甲板板架、船側板架和艙壁板架等。由于位置和受力的不同，采用不同的骨架型式。L o g oL o g o船體結構設計概述船體結構設計概述一般，普通常規(guī)船上甲板和船底板架多采用縱骨架式，舷側板架為橫骨架式。這樣的布置一方面總縱強度方面容易滿足

4、，另外，橫骨架式對橫向載荷的抵抗也增大，使局部強度容易滿足，又不至于占據過大的艙容。特殊情況：干貨船在下面兩種情況下上甲板宜于采用橫骨架式：L o g oL o g o船體結構設計概述船體結構設計概述1.船長小于90100m時，不論船長L與型深D之比的比值如何；在100130之間，L/D1.7時；2.當船長小于80100m，L/D小于12時，船底外板厚度不是由強度條件來決定的，而是取決于銹蝕磨耗的要求時；3.當船的中垂彎矩遠大于中拱彎矩，即當 M中垂/M中拱1.52.0時4.船底易擱淺或者艙內用抓斗起貨物而艙底又無護板時。L o g oL o g o船體結構設計概述船體結構設計概述若船底板架為

5、橫骨架式，建議每檔肋骨設實肋板，這樣可以提高外底穩(wěn)定性、局部強度和簡化工藝。船側板架由艙壁間距、甲板和艙底間的距離而定。軍船舷側靠近甲板和船底多采用縱骨架式，其他采用橫骨架式。船端多采用橫骨架式，但是由于橫骨架式和縱骨架式在過渡銜接的問題，目前也有縱骨架式存在。L o g oL o g o船體結構設計概述船體結構設計概述船體鋼料選擇：高強度鋼問題。目前船體構件選擇主要考慮兩方面：強度和穩(wěn)定性。強度方面主要借助的材料特性是屈服極限，而穩(wěn)定性方面的標準時臨界應力。選擇鋼料要根據具體情況而定。在結構設計時，我們希望選擇的鋼料能使船體結構最輕。L o g oL o g o型材剖面設計型材剖面設計v型材

6、剖面利用系數和比面積型材剖面利用系數和比面積船體結構中的型材球扁鋼，T型材，扁鋼，角鋼 衡量型材剖面利用率的指標1.對型材剖面設計的要求 （1）構成剖面的各個部分應該具有足夠的強度、剛度和穩(wěn)定性；（2）應該滿足生產與工藝的要求，制造簡單（3）剖面內材料的分布合理，材料利用率高。 衡量剖面內材料利用率的指標：剖面利用系數和比面積。L o g oL o g o型材剖面設計型材剖面設計dFZzZZdFzZIWFF2maxmaxmax2max1)(理想剖面：兩個離中和軸距離相等、面積各為0.5 F的翼板組成的剖面稱為理 想剖面。 理想剖面的剖面模數為 hFW210理想剖面形式L o g oL o g

7、o型材剖面設計型材剖面設計實際型材的最小剖面模數，小于理想剖面的剖面模數，因為，在同等面積下，平行于中和軸是所有情況中慣性矩最大的情況。即 hFWW2101L o g oL o g o型材剖面設計型材剖面設計W1-實際型材剖面的最小剖面模數； -剖面利用系數剖面利用系數，其反映剖面中材料的分布的合理程度，剖面利用系數越其反映剖面中材料的分布的合理程度，剖面利用系數越大，則剖面材料的利用越接近理想剖面。大，則剖面材料的利用越接近理想剖面。 利用剖面利用系數時,同一類型材的剖面利用系數才可以比較,例如不同型號的角鋼可以比較剖面利用系數,而角鋼和鋼管的剖面利用系數不可以比較。所以剖面利用系數不能反映

8、所有構件不同剖面形狀材料的利用率。L o g oL o g o型材剖面設計型材剖面設計剖面模數比面積：32/wWFC F-型材剖面積；W-包括帶板在內的型材的剖面模數。Cw小，表明利用較少的材料，獲得了較大的剖面模數，所以剖面材料的利用率越高，顯然Cw越小越有利。慣性矩比面積：21/iIFC L o g oL o g o型材剖面設計型材剖面設計I包括帶板在內的剖面慣性矩，Ci小，表明利用較少的材料，獲得了較大的慣性矩，所以剖面材料的利用率越高，顯然Ci越小越有利。L o g oL o g o型材剖面設計型材剖面設計v型材的強度要求與剖面要素型材的強度要求與剖面要素強度要求：（1）彎曲強度要求；

9、（2）剪切強度要求 型材剖面模數與慣性矩的計算f1 -小翼板面積； f2 -大翼板面積；f-腹板面積;h-腹板高度,t-腹板厚度。 中和軸距離基線h1：321212ffffhhfhL o g oL o g o型材剖面設計型材剖面設計L o g oL o g o型材剖面設計型材剖面設計剖面對中和軸的慣性矩213212222122h)fff(fh)h(fhfI對小翼板的最小剖面模數fffffffffhhIW2112332212111L o g oL o g o型材剖面設計型材剖面設計K/ffhhIW11126K1222112ffffhh最小剖面模數改寫為2611ffhW100.K=36L o g

10、oL o g o型材剖面設計型材剖面設計參數h、f1、f2對于剖面最小剖面模數的影響：（1）剖面高度h不變，增加大翼板f2的面積，可減小K值，使W1增大，但是由于K的取值范圍變化較小。所以加大大翼板面積，W1增加緩慢；（2）增加小翼板面積f1,可使W1較大增加，比增加f2面積有效；（3）增加腹板高度h，W1增加最快，是提高剖面模數的最有效的方法。L o g oL o g o型材剖面設計型材剖面設計腹板的相當面積和剪切穩(wěn)定性腹板承受剖面上的大部分剪力。剖面剪力為N，假定腹板承受全部剪力N，而且剪應力沿高度方向均勻分布，任意高度處的剪應力均為最大剪應力，則有：fNf-稱為腹板的相當剪切面積。L o

11、 g oL o g o型材剖面設計型材剖面設計ItNSmax由于所以maxSItf 將I及Smax計算式代入上式，可得L o g oL o g o型材剖面設計型材剖面設計大翼板f2為船體板的一部分，其為常量。調整小翼板和腹板面積比值時，可得相當腹板剪切面積的變化的范圍為 ff10fff.67001ff1ff ff67. 0ff 1ff L o g oL o g o型材剖面設計型材剖面設計f.f850腹板的剪切強度要求 ,85. 0fN相當腹板剪切面積平均值：fN85. 0滿足腹板剪切強度要求腹板的面積應該為： 850.NfL o g oL o g o型材剖面設計型材剖面設計抗彎強度與抗剪強度關

12、系要求梁具有相同的剪切強度和彎曲強度，則由于材料的許用剪切應力為3剪切和彎曲強度相同的條件為：57. 0maxmaxL o g oL o g o型材剖面設計型材剖面設計v型材的穩(wěn)定性計算型材的局部穩(wěn)定性 1、翼板的穩(wěn)定性 力學模型：三邊自由支持，一邊自由翼板2、腹板的穩(wěn)定性 四邊自由支持，四邊承受剪應力和長邊承受彎曲正應力。L o g oL o g o型材剖面設計型材剖面設計引用俄羅斯巴波考維奇的成果，計算臨界應力。（1） 僅承受線性分布的彎曲正應力時，臨界應力為L o g oL o g o型材剖面設計型材剖面設計)(N/mm)5(19011007622.332.htcr）（另一個翼板壓應力一

13、個翼板拉應力（2）如果彎曲正應力等于零，則 臨界剪切應力為)mm/N(htcr22100102L o g oL o g o型材剖面設計型材剖面設計（3）如果腹板同時承受彎曲正應力和剪切應力，則板的失穩(wěn)條件為1crcr為最大壓應力。將彎曲和剪切臨界應力公式分別代入上式，得2)h100t(102AL o g oL o g o型材剖面設計型材剖面設計或者整理得到：102100Athmm-腹板高度與厚度得比值。比值 m大，不利于穩(wěn)定，減小m值，穩(wěn)定性增加。 L o g oL o g o型材剖面設計型材剖面設計 強度與穩(wěn)定性的矛盾要求：（1）保持腹板面積不變，減小板厚，增加腹板高度，抗彎慣性矩增加，有利

14、于強度；（2）保持腹板面積不變，增加板厚，減小腹板高度，抗彎慣性矩減小，不利于強度，但是腹板的m值減小，有利于腹板的穩(wěn)定性。（3）為了兼顧強度和穩(wěn)定性，必須選取合適的m 值，船舶工程中，一般取m=70100。L o g oL o g o型材剖面設計型材剖面設計 型材整體的穩(wěn)定性1、型材總穩(wěn)定性問題的提出 倉壁扶強材等一類構件承受水壓力,在壓力較小時，構件的彎曲在腹板的平面內發(fā)生，當壓力載荷增加到超過一定數值時，構件向腹板平面外發(fā)生彎曲，即側向彎曲，也稱為側向失穩(wěn)。側向失穩(wěn)屬于型材總穩(wěn)定性問題，如果型材總穩(wěn)定性不足，則會導致結構的整體破壞，例如整個倉壁發(fā)生破壞。 型材側向失穩(wěn)如下圖所示。L o

15、g oL o g o型材剖面設計型材剖面設計圖 構件側向失穩(wěn)L o g oL o g o型材剖面設計型材剖面設計2、型材總穩(wěn)定性臨界壓力集度的確定 型材總穩(wěn)定性的分析模型為：倉壁板對扶強材提供抗轉約束，扶強材端部的 約束取為自由支持。 圖 承受水壓的扶強材L o g oL o g o型材剖面設計型材剖面設計水壓的最大集度為 。研究在圖示水壓力作用下，型材的總體穩(wěn)定性。02q采用如下的分析模型，計算最大臨界壓力集度。L o g oL o g o型材剖面設計型材剖面設計圖 扶強材剖面及約束表示單位寬度艙壁板對于扶強材的抗轉約束L o g oL o g o型材剖面設計型材剖面設計扶強材扶強材扶強材M=12b圖中，梁為單位寬度的板條梁；b-扶強材間距。求出單位力矩作用下板條梁的轉角 ，則抗扭剛度為1k扶強材的臨界壓力集度 可查表確定。crqL o g oL o g o型材剖面設計型材剖面設計圖 臨界壓力集度系數表L o g oL o g o型材剖面設計型材剖面設計211