船体强度与结构设计第2章.

船体强度与结构设计第2章船体总纵强度计算ShipStrengthandStructuralDesign第2章船体总纵强度计算目的在已计算出总纵弯矩和剪力的基础上，对选定的船体结构横剖面，计算出船体总纵弯曲应力。要求掌握总纵弯曲应力的计算方法。ShipStrengthandStructuralDesignShipStrengthandStructuralDesign2.1船体总纵弯曲应力的第一次近似计算2.2船体构件的稳定性检验和总纵弯曲应力的第二次近似计算2.3船体构件的多重作用及按合成应力校核总纵强度2.4船体梁弯曲剪应力的计算2.5许用应力2.6船体挠度的计算2.7船体极限弯矩的计算第2章船体总纵强度计算2.1船体总纵弯曲应力的第一次近似计算ShipStrengthandStructuralDesign第2章船体总纵强度计算2.1船体总纵弯曲应力的第一次近似计算知识点简单梁的理论，船体剖面模数，总纵弯曲应力的计算公式，计算剖面，纵向强力构件，强力甲板，最小剖面模数，船体梁计算剖面简图。剖面水平中和轴，不同材料的换算。ShipStrengthandStructuralDesign计算原理在研究船体的总纵强度时，把船体看作是一个变截面的空心薄壁梁（称为船体梁）。在求得船体梁的总纵弯曲力矩之后，就可以计算船体梁的总纵弯曲应力，以便进行强度校核。应用简单梁的弯曲理论，船体梁的总纵弯曲应力是ShipStrengthandStructuralDesign计算原理2.1船体总纵弯曲应力的第一次近似计算ZIM式中MIZ：所求应力点至水平中和轴的垂直距离。：计算剖面的总纵弯矩；：计算剖面关于水平中和轴的惯性矩；由上式可知，船体剖面上的弯曲应力沿高度方向呈线性分布。在船体强度计算中通常把上式改写为ShipStrengthandStructuralDesign计算原理2.1船体总纵弯曲应力的第一次近似计算ZIM式中WWMZIM为了计算弯曲应力，必须首先选择计算剖面，然后确定计算剖面对水平中和轴的惯性矩，以及剖面任意构件至水平中和轴的距离。：称为船体剖面模数。显然，当弯矩值一定时，剖面模数越大，弯曲应力越小。计算剖面的选择为了进行总纵强度校核，必须首先确定对哪些剖面进行计算。显然，仅仅需要对可能出现最大弯曲应力的剖面进行计算，这些剖面称为危险剖面或计算剖面。计算剖面的选择原则：1）由总纵弯曲力矩曲线可知，最大弯矩一般在船中0.4倍船长范围内，所以计算剖面一般应选择此范围内的最弱剖面，即有最大的舱口或其它开口的剖面，如机舱、货舱开口剖面。2）船体骨架改变处的剖面，上层建筑端壁处的剖面，主体材料分布变化处的剖面，以及由于重量分布特殊可能出现相当大的弯矩值的某些剖面。ShipStrengthandStructuralDesign计算剖面的选择2.1船体总纵弯曲应力的第一次近似计算计算船体剖面模数的考虑计算剖面确定后，在计算船体剖面模数之前，首先要确定哪些构件能够完全有效地参加抵抗总纵弯曲变形（并非所有纵向布置的构件都能完全有效地参加抵抗总纵弯曲），亦即哪些构件可以计入计算剖面。由于船体中构件的长、短和构件所处的位置不同，纵向构件参加抵抗总纵弯曲的程度是不同的。ShipStrengthandStructuralDesign计算船体剖面模数的考虑2.1船体总纵弯曲应力的第一次近似计算（1）纵向强力构件纵向连续并能完全有效的传递总纵弯曲应力的构件，称为纵向强力构件。船中部0.4～0.5倍船长区域内连续的纵向构件，如上甲板、外板、内底板、纵桁、纵骨以及符合上述要求的其它构件都是纵向强力构件。在计算剖面模数时，纵向强力构件的面积100%全部计入。ShipStrengthandStructuralDesign计算船体剖面模数的考虑2.1船体总纵弯曲应力的第一次近似计算（2）间断构件长度较短不能完全有效的传递总纵弯曲应力的构件，称为间断构件。如甲板室、开口间的甲板等。间断构件参加抵抗总纵弯曲的程度取决于它们自身的构造和长度。一般而言，间断构件的端部，不参加抵抗总纵弯曲，从端部到构件长度的中部，参加抵抗总纵弯曲的程度逐渐提高。对于不参加抵抗总纵弯曲的构件的面积，应该扣除，即在计算剖面模数的时候，不考虑不参加抵抗总纵弯曲的构件的面积。ShipStrengthandStructuralDesign计算船体剖面模数的考虑2.1船体总纵弯曲应力的第一次近似计算1）连续长度大于船体计算剖面本身高度3倍的舱口纵向围板、纵桁等纵向构件能完全有效的参加抵抗总纵弯曲，在计算剖面模数时，这些构件的面积100%全部计入。ShipStrengthandStructuralDesign计算船体剖面模数的考虑2.1船体总纵弯曲应力的第一次近似计算2）长度超过15%船长，且长度大于6倍自身高度的上层建筑以及同时受到不少于3个横舱壁或类似结构支持的长甲板室，可以认为其中部能完全有效的参加抵抗总纵弯曲，但是其端部参加抵抗总纵弯曲的程度较小，需要扣除不参加抵抗总纵弯曲的构件面积。ShipStrengthandStructuralDesign计算船体剖面模数的考虑2.1船体总纵弯曲应力的第一次近似计算上层建筑甲板主体甲板o30o30上层建筑侧壁上层建筑甲板主体甲板o30o30上层建筑侧壁3）靠近舱口前后端的甲板，位于两个角的斜线构成的阴影区域内的构件不参加抵抗总纵弯曲，该部分构件的面积不计入剖面模数的计算。由于舱口间甲板参加抵抗总纵弯曲的程度很小，舱口之间的横剖面是船体结构的薄弱剖面之一。ShipStrengthandStructuralDesign计算船体剖面模数的考虑2.1船体总纵弯曲应力的第一次近似计算o304）构件上的开口通常按照强度计算的相关规定来决定是否扣除开口部分的面积。甲板开口BBb05.0o30o30甲板开口BBb05.0o30o30不同材料的剖面面积换算如果参加抵抗总纵弯曲变形的构件中，有些构件采用不同材料时，那么首先应该将这些构件的剖面积换算成相当于基本材料的剖面积后，再进行剖面模数的计算。ShipStrengthandStructuralDesign不同材料的剖面面积换算2.1船体总纵弯曲应力的第一次近似计算若被换算的构件的剖面积为，应力为，弹性模量为；与其等效的基本材料的剖面积为，应力为，弹性模量为，则根据变形相等且承受同样的力，可得：iaiiEaEPaEPEaPEEiiii故有：EEaaii在计算剖面模数时，可以认为船体梁仅由一种基本材料构成，而把与基本材料不同的构件的剖面积乘以两材料的弹性模量之比，同时不改变该构件的形心位置。因此，对薄壁构件，相当于仅对板厚作上述变换。如果是垂直板，其自身惯性矩应为：ShipStrengthandStructuralDesign不同材料的剖面面积换算2.1船体总纵弯曲应力的第一次近似计算EEaaiiEEi0i1220iiihEEai式中是垂直板的高度。ih船体剖面模数的计算由于船体结构对称于中纵剖面，一般只需对半个剖面进行计算。具体步骤如下：首先，画出船体计算剖面的半剖面图，如图所示。ShipStrengthandStructuralDesign船体剖面模数的计算2.1船体总纵弯曲应力的第一次近似计算oo'o'oYZdZbZoo'o'oYZdZbZ然后，选取参考轴，该轴可选在离基线0.45倍～0.50倍型深处，或就在基线处。最后，列表进行计算，分别求出各构件的剖面积，其形心位置至参考轴的距离，静力矩，惯性矩。对于高度较大的垂向构件，如舷侧板等，还要计算其自身惯性矩（为垂向构件的垂直高度，这种表达式也适用于倾斜板的剖面）。ShipStrengthandStructuralDesign船体剖面模数的计算2.1船体总纵弯曲应力的第一次近似计算''ooiAiZiiZA2iiZA1220iihAiihoo'o'oYZdZbZoo'o'oYZdZbZ由此，剖面水平中和轴至参考轴的距离是ShipStrengthandStructuralDesign船体剖面模数的计算2.1船体总纵弯曲应力的第一次近似计算令CiZABZAAAiiiii)(02AB由移轴定理，剖面对水平中和轴的惯性矩是ABCACI2222任意构件至中和轴的距离是ABZZZiii'ShipStrengthandStructuralDesign船体剖面模数的计算2.1船体总纵弯曲应力的第一次近似计算最上层连续甲板和船底是船体剖面中离中和轴最远的构件，构成了船体梁的上下翼板。构成船体梁上翼板的最上层连续甲板通常称为强力甲板。设中和轴至强力甲板和船底的垂直距离分别为和，则强力甲板和船底处的剖面模数分别是在一般船舶中，中和轴离船底较近，即，因此。所以，有时也称强力甲板处剖面模数为船体剖面的最小剖面模数。dZbZbbddZIWZIWbdZZbdWWShipStrengthandStructuralDesign总纵弯曲应力的第1次近似计算2.1船体总纵弯曲应力的第一次近似计算总纵弯曲应力的第1次近似计算构件中的总纵弯曲应力是按上式求得的应力称为总纵弯曲应力的第一次近似计算值。'iiZIM总纵弯曲应力的第一次近似计算，仅仅是一种强度方面的计算，其前提就是剖面上的构件没有失稳。ShipStrengthandStructuralDesign总纵弯曲应力的第1次近似计算2.1船体总纵弯曲应力的第一次近似计算例：考虑横剖面是圆环形的受压钢管，如图所示。横剖面直径是120mm，壁厚是10mm，根据海船建造规范，取许用应力为124N/mm2。根据强度要求，钢管可以承受的压力是：PPm6LPPm6LN428513124)5060(22PShipStrengthandStructuralDesign总纵弯曲应力的第1次近似计算2.1船体总纵弯曲应力的第一次近似计算根据强度要求，钢管可以承受的压力是：N4285131240)5060(22P根据稳定性要求，钢管允许承受的压力是：N3029486)1.012.0(64101.224411222LEIPc显然，当压力达到强度允许的71%时，钢管已经失去稳定性。船体结构的设计，必须满足强度和稳定性两个方面的要求。2.2船体构件的稳定性检验和总纵弯曲应力的第二次近似计算ShipStrengthandStructuralDesign第2章船体总纵强度计算2.2船体构件的稳定性检验和总纵弯曲应力的第2次近似计算知识点船体构件的工作特性，按简单梁理论计算的有效性，船体总纵强度计算中必须考虑的两个主要问题。船体构件的稳定性检验，船体板折减系数的概念及计算，刚性构件和柔性构件的概念，总纵弯曲应力的第二次及更高次近似计算。ShipStrengthandStructuralDesignShipStrengthandStructuralDesign船体构件的工作特征2.2船体构件的稳定性检验和总纵弯曲应力的第二次近似计算船体构件的工作特征早在十八世纪中叶，欧拉在“横摇和纵摇时船舶各部分承受的外力”一文中研究了作用于船舶各部分的外力，并指出船舶弯曲是这些力引起的主要变形。就是说船体应该作为一根梁来研究它的弯曲变形。但是应用梁理论来研究船体总纵强度的具体计算方法，经过了大约一百年后，到十九世纪中叶才逐步发展起来，成为船体静置在波浪上的总纵强度计算的标准方法。这种标准总纵强度的计算方法就是现在应用的总纵弯曲应力的第一次近似计算方法。ShipStrengthandStructuralDesign船体构件的工作特征2.2船体构件的稳定性检验和总纵弯曲应力的第二次近似计算许多实船试验表明，船体结构中的总纵弯曲应力的分布与梁的弯曲理论基本是一致的。这说明用梁的弯曲理论计算船体结构中的总纵弯曲应力是可行的。但随着船舶尺寸和航速的增大，人们逐渐认识到梁的弯曲理论还不能充分反映船体是薄壁空心梁结构的特点。船舶航行中的结构损坏经验和实船