第四章保证满足船舶的强度条件

一．船体强度船体在规定外力作用下抵抗极度变形和损坏的能力。船体强度与船舶安全密切相关。二．分类船体强度分为总强度和局部强度。总强度又分为纵向强度、扭转强度和横向强度，其中，纵向强度亦称总纵强度，最为重要。三．强度控制船舶设计建造完成，其船体强度就被确定或限定，不可能再增强（除非进厂改造）。随着时间的推移，船体会自然磨损、腐蚀、老化、疲劳以及损伤，船体强度总是越来越差。因此，船体强度控制的途径有二：一是正确配积载，确保满足船体纵向强度和局部强度条件；二是正确保养船体，避免损伤，使船体强度保持良好状态。4.1保证满足船舶的纵向强度条件一．产生总纵弯矩和剪力的原因船舶漂浮于水上，从刚体力学角度讲，船舶的重力与浮力相等，总体上平衡。但是，船舶的重力与浮力沿纵向长度分布不一定处处相等。从材料力学角度讲，这正是产生船体结构内力总纵弯矩和剪力的根源。1．载荷分布曲线设船舶沿X轴(纵向)重量分布曲线为qw(x)，浮力(排水量)分布曲线为qD(x)=ρAx，则船舶重量W和排水量水量Δ可表示为：则船舶沿X轴的载荷分布曲线q(x)定义为：L0DL0wdx)x(q,dx)x(qWL0Dw0dx)x(q1.4)x(q)x(q)x(q显然，）（2．平水中载荷分布（1）均匀装载在平水中，使重量分布和浮力(排水量)分布处处相等的装载方式，称为均匀装载。即：qw(x)≡qD(x)q(x)=qw(x)-qD(x)≡0因此，船舶如果均匀装载，在平水中，船体将不发生总纵弯曲变形，不产生总纵弯矩和剪力。（2）交叉装载在平水中，使船舶重量分布与浮力分布不一致的装载方式，称为交叉装载。即：qw(x)≠qD(x)q(x)=qw(x)-qD(x)≠0因此，船舶如果交叉装载，即使在平水中，也会发生总纵弯曲变形，产生总纵弯矩和剪力。总纵弯曲变形有中拱和中垂两种：(i)中拱船体首尾处重量分布大于浮力分布，而船中处正好相反，船体发生船中上拱，首尾下垂的总纵弯曲变形，称为中拱。(ii)中垂船体首尾处重量分布小于浮力分布，而船中处正好相反，船体发生船中下垂，首尾上翘的总纵弯曲变形，称为中垂。3．波浪中载荷分布设船舶在平水中均匀装载，当船舶处于波浪上且航向与波向同向或反向时，船舶也会交替出现中拱和中垂两种总纵弯曲变形。（1）中拱船中处于波峰，qw(x)＜qD(x)；首尾处于波谷，qw(x)＞qD(x)，船舶发生中拱弯曲变形。（2）中垂船中处于波谷，qw(x)＞qD(x)；首尾处于波峰，qw(x)＜qD(x)，船舶发生中垂弯曲变形。如果船舶在静水中的重量分布与浮力分布不一致，那么在波浪中船舶总纵弯曲变形将更加严重。4．最大切力Nm与最大弯矩Mm的一般位置不论是中拱或中垂，最大弯矩Mm和最大剪力Nm的位置一般不变：最大弯矩Mm的一般位置通常在船中0.4L区间。最大剪力Nm的一般位置通常在距船首尾L/4处。5．船体受拉压中拱时船体所受弯矩为正，上甲板受拉，船底板受压；中垂时船体所受弯矩为负，上甲板受压，船底板受拉。二．纵向强度和纵向变形的校核方法1．纵向强度详算法（1）许用切力和许用弯矩为使船舶具有足够的总纵强度，船舶设计部门根据各个剖面的结构和材料，按我国1996年《钢质海船入级与建造规范》要求，给出船舶各个剖面（肋位）的许用切力和许用弯矩，供船舶营运装载货物时校核总纵强度之用。教材第238页表F3－6为全集装箱船“Z”轮的各个剖面（肋位）的许用切力和许用弯矩。（2）校核方法校核时，一般使用随船舶资料提供的计算表格按步骤计算各剖面上的静水切力和静水弯矩，并与资料中的许用切力和许用弯矩相比较。计算过程比较麻烦，通常借助计算机或配载仪来校核。如果静水切力和静水弯矩在港内和海上的正负两个方向的许用切力和许用弯矩的范围之内，则说明该装载状态下，船体结构无论在港内和海上，都是安全的。2．纵向强度估算法（1）依据估算法的依据认为，如果船体中弯矩最大的剖面满足纵向强度要求，则整个船体都满足纵向强度要求。如前所述，船体最大弯矩通常出现在船中部0.4倍船长处，因此，只要估算船舶载荷对船中剖面的弯矩是否处在安全范围内，即可校核船体纵向强度。（2）方法i）计算船上所有载荷（空船重量除外）对船中之矩（绝对值）并求和Σ|Pi*Xi|；ii）由该装载状态下的平均型吃水和Σ|Pi*Xi|查船舶资料中的强度曲线图（教材第59页图4－5）；iii）判断：如果查得点处在允许范围内，则满足纵向强度要求。3．纵向变形的校核（1）校核方法观测并比较船首、中、尾三处的左右平均吃水，可以判断船体拱垂变形的大小和方向。船中吃水与首、尾吃水的平均值的差值的绝对值称为拱垂值δ，它可以反映出纵向变形的程度。船中吃水等于首、尾吃水的平均值，说明船体没有纵向变形；船中吃水大于首、尾吃水的平均值，说明船体中拱变形；船中吃水小于首、尾吃水的平均值，说明船体中垂变形。（2）纵向变形程度的划分拱垂值δ≤L/1200，为正常范围，可以开航；拱垂值δ=L/800，为极限范围，允许在天气良好时开航；拱垂值δ=L/600，为危险范围，不可以开航。三．纵向强度和纵向变形的控制船舶纵向强度和变形问题主要与两方面因素有关：一是船舶重力与浮力沿纵向分布不一致；二是船体结构。1．按舱容比例装载控制载荷纵向分布船体所受的浮力沿纵向分布与船体舱容沿纵向分布规律基本一致。因此，按舱容大小成正比地分配各舱货物重量是控制纵向强度和变形的有效方法。不仅在配载时应当如此，而且在实际装载过程中和中途港装载时也应当如此。各货舱装货重量的计算式为：式中，Pi——第i舱应分配的货物重量，tVchi——第i舱的容积，m3ΣVch——全船各货舱的总容积，m3ΣQ——航次载货总重量，t调整值——综合油水消耗、压载、机舱等因素的调整量2．根据船体结构特点合理安排油水及压载水（1）中机型船中机型船的机舱在中部，船体在空载时机舱相对重而常发生轻微中垂；满载时机舱相对轻而发生严重的中拱。因此，中机型船的强度问题主要出现在满载情形。主要控制措施为：i）在满载时中部应适当多装载货物或压载水；ii）油水分配时应自中部向首尾依次装载，使用时顺序相反。（2）尾机型船和中尾机型船尾机型船机舱在尾部，船舶在空载时因机舱相对较重而尾倾，为调整浮态往往在首部压载舱打入相应的压载水，造成船舶出现非常严重的中拱。大型尾机型船在满载时往往因机舱相对轻而出现一定的中垂。因此，尾机型船的强度问题主要出现在空载情形。主要控制措施为：i）合理安排压载水，同时实现减少尾倾、增加吃水和减缓中拱变形三个目的，方法是尽量使用漂心前靠近中部的压载舱压载。ii）油水分配也是自中部向首尾依次装载，使用时顺序相反。中尾机型船是对尾机型船的改进，其强度问题与尾机型船相同，也出现在空载情形，但程度较轻。主要控制措施也相同。4.2保证满足船舶的局部强度条件）（）（调整值2.4tQVVPchchii一．船体局部强度船体结构在局部外力作用下具有抵抗局部极度变形和破坏的能力称为船体局部强度。对营运船舶而言，特别关注各个载货部位的局部强度。因此，与载货有关的局部强度是指各载货部位的承载能力。保证满足船舶的局部强度条件，也就是确保所有载货部位的载荷不超过该部位允许的承载能力的极限值。二．局部强度的表示方法与载货有关的局部强度一般用以下指标表示：1．均布载荷均布载荷是指船舶载货部位单位面积允许承受的最大重量，KN/m2。2．集中载荷集中载荷是指某一特定面积上允许承受的最大重量，KN。如图4－6所示，特定面积是指向该区域的承重构件施加集中压力的两相邻骨材之间的面积，甚至是指两相邻骨材之间的距离。小型船舶通常采用横骨架式结构，其特定面积通常是指横梁（或肋板）之间的面积或距离；大中型船舶的上甲板和底板通常采用纵骨架式结构，其特定面积通常是指甲板纵骨（或船底纵骨）之间的面积或距离。有的小型船舶不区分均布载荷与集中载荷，只给出均布载荷。3．车辆甲板负荷允许车辆进出、停放的甲板或内底板允许承受一辆四轮车辆及其货物的总重量。通常，载货四轮车辆的后轮有四个轮子，前轮有两个轮子，也有四个轮子。因此，车辆甲板负荷按前轮数目分别给出。4．集装箱堆积负荷堆积负荷是指集装箱船的甲板、舱盖或舱底上20ft或40ft箱座所能承受的最大重量。参见教材第239页表F3－8。三．局部强度校核1．查取校核部位的局部强度许用载荷，查取时应考虑腐蚀等影响；2．计算校核部位的实际均布载荷、集中载荷等；3．比较：如果实际载荷小于许用载荷，则局部强度条件满足。否则，应采取衬垫措施。例题（教材第66页例4－4）Q轮拟在上甲板第4货舱舱口外侧装载一推土机，其重量为35t，每条履带接触地面的面积为2．4m2，试校核局部强度。解：推土机与甲板总接触面积A=2*2．4=4．8m2；（1）校核集中载荷甲板实际集中载荷Pˊ=35*9．81=343．35KN；查第64页表4－6得许用集中载荷P=104．97KN；实际集中载荷Pˊ许用集中载荷P，不满足要求，必须衬垫。（2）校核均布载荷查第64页表4－6得许用均布载荷Pd=22．96KPa实际均布载荷Pdˊ为：实际均布载荷Pdˊ许用均布载荷Pd，不满足要求，必须衬垫。（3）计算满足均布载荷条件的衬垫面积（4）计算满足集中载荷条件的骨材间距数目nQ轮为万吨级杂货船，上甲板应为纵骨架式，骨材应为甲板纵骨。答：直接装载不满足局部强度条件，应采取衬垫措施，衬垫面积应大于14．95m，其横向衬垫长度应横跨4个甲板纵骨间距（如图4－7所示）。)KPa(53.718.435.343APPd)m(95.1496.2235.343PPA2d427.397.10435.343PPn