船體局部強(qiáng)度計(jì)算

1、船體強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)船體強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)天津大學(xué)建筑工程學(xué)院船舶工程系天津大學(xué)建筑工程學(xué)院船舶工程系第三章第三章 船體結(jié)構(gòu)局部強(qiáng)度計(jì)算船體結(jié)構(gòu)局部強(qiáng)度計(jì)算局部強(qiáng)度：指局部結(jié)構(gòu)抵抗局部載荷而不破壞的能力。局部強(qiáng)度：指局部結(jié)構(gòu)抵抗局部載荷而不破壞的能力。局部載荷：倉(cāng)室貨物、甲板上浪、設(shè)備重量及設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)載荷，舷外水壓力等。局部載荷：倉(cāng)室貨物、甲板上浪、設(shè)備重量及設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)載荷，舷外水壓力等。局部結(jié)構(gòu)：甲板板架、船底板架、肋骨框架、倉(cāng)壁結(jié)構(gòu)、板格、縱骨、橫梁局部結(jié)構(gòu)：甲板板架、船底板架、肋骨框架、倉(cāng)壁結(jié)構(gòu)、板格、縱骨、橫梁等。等。 本章介紹船舶局部強(qiáng)度計(jì)算的有關(guān)內(nèi)容本章介紹船舶局部強(qiáng)度計(jì)算的有關(guān)內(nèi)容: :(

2、1)(1)建立模型建立模型;(2);(2)載荷計(jì)算載荷計(jì)算;(3);(3)簡(jiǎn)化計(jì)算方法簡(jiǎn)化計(jì)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(qiáng)度計(jì)算的力學(xué)模型局部強(qiáng)度計(jì)算的力學(xué)模型力學(xué)模型：力學(xué)模型：反映結(jié)構(gòu)的實(shí)際反映結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力特點(diǎn)受力特點(diǎn)和和變形特征變形特征而又便于計(jì)算的簡(jiǎn)化的結(jié)構(gòu)而又便于計(jì)算的簡(jiǎn)化的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，稱為力學(xué)模型或計(jì)算模型。系統(tǒng)，稱為力學(xué)模型或計(jì)算模型。3.1.13.1.1建立力學(xué)模型的原則建立力學(xué)模型的原則 （1 1）計(jì)算方法）計(jì)算方法 手工計(jì)算：則模型應(yīng)該簡(jiǎn)化較大；手工計(jì)算：則模型應(yīng)該簡(jiǎn)化較大； 計(jì)算機(jī)求解：則可取復(fù)雜的計(jì)算模型計(jì)算機(jī)求解：則可取復(fù)

3、雜的計(jì)算模型（2 2）結(jié)構(gòu)的重要性）結(jié)構(gòu)的重要性 破壞后果嚴(yán)重的船舶，直接或間接損失大的船舶，則應(yīng)考慮較復(fù)破壞后果嚴(yán)重的船舶，直接或間接損失大的船舶，則應(yīng)考慮較復(fù)雜的計(jì)算模型；雜的計(jì)算模型；（3 3）設(shè)計(jì)階段）設(shè)計(jì)階段 方案設(shè)計(jì)階段：技術(shù)資料不全，則模型可取簡(jiǎn)單；在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，應(yīng)方案設(shè)計(jì)階段：技術(shù)資料不全，則模型可取簡(jiǎn)單；在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，應(yīng)該取復(fù)雜的計(jì)算模型，盡量反映結(jié)構(gòu)的實(shí)際。該取復(fù)雜的計(jì)算模型，盡量反映結(jié)構(gòu)的實(shí)際。3.1.23.1.2力學(xué)模型尺寸的確定力學(xué)模型尺寸的確定1 1、板架模型尺寸：縱向取橫倉(cāng)壁之間的距離，寬度方向取兩舷、板架模型尺寸：縱向取橫倉(cāng)壁之間的距離，寬度方向取兩舷肋骨中

4、和軸肋骨中和軸 與橫向構(gòu)件中和軸的交點(diǎn)。與橫向構(gòu)件中和軸的交點(diǎn)。 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(diǎn)，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(diǎn)，甲板取肋骨中和軸與橫梁中和軸的交點(diǎn)。軸與橫梁中和軸的交點(diǎn)。3.1.3 3.1.3 結(jié)構(gòu)邊界約束條件結(jié)構(gòu)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(dòng)支座：2 2、局部結(jié)構(gòu)支座的確定、局部結(jié)構(gòu)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(qiáng)度計(jì)算模型圖、船底縱骨

5、強(qiáng)度計(jì)算模型邊界條件：?jiǎn)慰缈v骨兩端剛性固定。邊界條件：?jiǎn)慰缈v骨兩端剛性固定。甲板縱骨穩(wěn)定性計(jì)算邊界約束：甲板縱骨穩(wěn)定性計(jì)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(shí)兩端自由支持。穩(wěn)定性分析時(shí)兩端自由支持。 （2）舷側(cè)肋骨上下約束條件圖、圖、 舷側(cè)肋骨變形及約束條件舷側(cè)肋骨變形及約束條件 兩端簡(jiǎn)支梁,端部2施加單位力矩時(shí),引起的端部2轉(zhuǎn)角為:EIl3lEIk3抗轉(zhuǎn)剛度為EIl3無甲板載荷，無載荷跨簡(jiǎn)化為受載荷結(jié)構(gòu)的約束。甲板橫梁給肋骨提供彈性抗轉(zhuǎn)約束,抗轉(zhuǎn)剛度系數(shù)為抗轉(zhuǎn)剛度為：lEIk3（3）多跨梁：無載荷跨轉(zhuǎn)化為受載跨的約束 lEIlI單

6、位長(zhǎng)度的慣性矩,稱為線剛度。線剛度圖、 多跨梁簡(jiǎn)化圖 （4）板架邊界條件多跨梁：無載荷跨轉(zhuǎn)化為受載跨的約束 1）倉(cāng)壁處：一般為剛性固定 2）舷側(cè)：自由支持 （5）板架構(gòu)件之間的相互支持關(guān)系： 交叉構(gòu)件與主向梁，I，i假定交叉構(gòu)件（長(zhǎng)構(gòu)件）支持主向梁，單位面積載荷為q。k 點(diǎn)的位移為RRkk交叉構(gòu)件lL主向梁EiRlEilQy4838453311短梁中點(diǎn)k :21LqlQ 短梁支持載荷長(zhǎng)梁中點(diǎn)k ：EIRLEILQy483845332222lqLQ 長(zhǎng)梁支持載荷：則21yy 11165 qlLR支反力R為：iLIl33iLIl330R長(zhǎng)梁支持短梁0R短梁支持長(zhǎng)梁當(dāng)maxRR,qlLRR165li

7、mmax長(zhǎng)梁支持短梁的最大支持力：因?yàn)橹С株P(guān)系由 決定，調(diào)整比值 ，可以改變支持關(guān)系。相互支持條件為 1133iLIl交叉構(gòu)件的計(jì)算模型為：3.1.4結(jié)構(gòu)模型化的處理 （1）利用對(duì)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(zhì)：動(dòng)力、靜力、常規(guī)、偶然作用（2）載荷作用在哪些構(gòu)件上（3）載荷的組合 橫梁縱桁 2、不同結(jié)構(gòu)部位的載荷：（1）甲板載荷：甲板貨物、甲板上浪（2）倉(cāng)內(nèi)載荷：載貨和船底水壓力組合（3）舷側(cè)水壓力：吃水加上半波高2Bhdhd-吃水，hB-波高。3、結(jié)構(gòu)構(gòu)件的幾何抗彎特性計(jì)算：帶板寬度帶板帶板CCS關(guān)于帶板面積規(guī)定：fbtA103/2

8、)/(3 . 0blf 縱骨： l：構(gòu)件跨度，b:縱骨間距；肋板：構(gòu)件跨度，b為肋距。 d2/Bhl3.3.2甲板結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算 載荷確定：規(guī)范中規(guī)定的計(jì)算壓頭縱桁帶板寬度：)6/,(lbMinbe p設(shè)計(jì)載荷，不小于8.5kPa甲板構(gòu)件計(jì)算。對(duì)于露天甲板，橫梁剖面模數(shù)W按照下式計(jì)算2BshlW B船舶型寬；s橫梁間距；h計(jì)算壓頭；l橫梁跨度 。1、具有艙口的甲板板架強(qiáng)度計(jì)算橫倉(cāng)壁艙口縱桁力學(xué)模型艙口端梁力學(xué)模型：1）縱桁處剛性固定：載荷對(duì)稱，結(jié)構(gòu)對(duì)稱，轉(zhuǎn)角為零；2）舷側(cè)位移為零，轉(zhuǎn)角不為零。3）承受載荷為來自縱桁的反力R。艙口縱桁力學(xué)模型：1）橫艙壁處剛性固定2）艙口強(qiáng)橫梁自由支持縱桁3）承受

9、均布載荷圖、倉(cāng)口甲板結(jié)構(gòu)倉(cāng)口區(qū)強(qiáng)橫梁艙口短縱桁倉(cāng)口縱桁艙口縱桁載荷： 縱桁支撐寬度： hbBq)(2111011bB hbBq)2/(21111（中縱剖面有半艙壁時(shí)）艙口區(qū)強(qiáng)橫梁計(jì)算模型：艙口區(qū)強(qiáng)橫梁計(jì)算模型： 強(qiáng)橫梁剖面，肋骨也為強(qiáng)肋骨，互相約束轉(zhuǎn)角。故強(qiáng)橫梁舷側(cè)為彈性固定約束，縱桁對(duì)其提供自由自持。圖、強(qiáng)橫梁計(jì)算模型圖、強(qiáng)橫梁計(jì)算模型k3.43.4結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限元計(jì)算結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限元計(jì)算3.4.1 3.4.1 計(jì)算原理計(jì)算原理3.4.2 3.4.2 有限元計(jì)算奇異性處理有限元計(jì)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(jì)算時(shí)，由于單元的處理不當(dāng)或者邊界約束處指有限元計(jì)算時(shí)，由于單

10、元的處理不當(dāng)或者邊界約束處理不合理，使結(jié)構(gòu)總體剛度矩陣行列式的值為零，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)位移趨于無理不合理，使結(jié)構(gòu)總體剛度矩陣行列式的值為零，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)位移趨于無限大限大, ,引起計(jì)算失敗。引起計(jì)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(jié)構(gòu)奇異性的解決方案問題 施加外部約束施加內(nèi)部約束圖、圖、 共面節(jié)點(diǎn)共面節(jié)點(diǎn)2 2、內(nèi)部奇異性處理：局部奇異性處理、內(nèi)部奇異性處理：局部奇異性處理 共面節(jié)點(diǎn)：當(dāng)數(shù)個(gè)桿件在平面內(nèi)一點(diǎn)相交時(shí)，稱為共面節(jié)點(diǎn)。共面節(jié)點(diǎn)：當(dāng)數(shù)個(gè)桿件在平面內(nèi)一點(diǎn)相交時(shí)，稱為共面節(jié)點(diǎn)。 共面節(jié)點(diǎn)法向如果沒有剛度貢獻(xiàn)，則引起剛度矩陣的奇異性。共面節(jié)點(diǎn)

11、法向如果沒有剛度貢獻(xiàn)，則引起剛度矩陣的奇異性。A為共面節(jié)點(diǎn)B節(jié)點(diǎn)法向沒有剛度貢獻(xiàn)3.5 實(shí)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(qiáng)度計(jì)算（1 1）計(jì)算方案）計(jì)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 31 0 . 4 m 3機(jī) 艙污油水艙空 艙2 3 m 3餐廳3 4 . 5 m 2儲(chǔ)物1 4 . 4 m 21 2 m 2TV2 0 m 2浴廁室休息室2 1 . 6

12、m 2T 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(shè)計(jì)水線會(huì)議室儲(chǔ)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(duì)標(biāo)記標(biāo)記設(shè)繪日期簽 字修改單號(hào)描校日期首錨絞車艙（右）標(biāo) 記天津大學(xué)建工學(xué)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(shè) 計(jì)重 量頁(yè)第頁(yè)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(shè)計(jì)吃水總 長(zhǎng)水 線 長(zhǎng)設(shè)計(jì)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甲板駁船圖、結(jié)構(gòu)坐標(biāo)系（2 2）計(jì)算步驟）計(jì)算步驟 1 1）結(jié)構(gòu)離散及載荷處理）結(jié)構(gòu)離散及載荷處理 圖、 甲板板架計(jì)算模型及結(jié)構(gòu)離散(3) (3) 計(jì)算結(jié)果及結(jié)論計(jì)算結(jié)果及