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浙江省精品课程浙江省精品课程船舶强度与结构设计船舶强度与结构设计船舶强度与结构设计第一章第一章船体外载荷计算船体外载荷计算ExitNextPre§§11--00概述概述一、计算模型（船体梁响应）一、计算模型（船体梁响应）船在静水中处于平衡位置时，必需满足两个条船在静水中处于平衡位置时，必需满足两个条件：作用在船体上的浮力等于船的重量；重心和浮件：作用在船体上的浮力等于船的重量；重心和浮心在同一铅垂线上。心在同一铅垂线上。ExitNextPre′′二、求解思路二、求解思路q(x)=w(x)-b(x)w(x)（重量曲线）b(x)（浮力曲线）ExitNextPre按梁的弯曲理论按梁的弯曲理论ZIM=σ式中式中MM——计算断面上的弯矩计算断面上的弯矩II——船体断面相对水平中性轴的惯性矩船体断面相对水平中性轴的惯性矩ZZ——计算应力点至中性轴的距离计算应力点至中性轴的距离ExitNextPre§§11--11重力分布曲线重力分布曲线一、重力分布曲线的绘制方法一、重力分布曲线的绘制方法船舶在某一计算状态下船舶在某一计算状态下((一般为正常排水量一般为正常排水量状态状态))，描述，描述全船重力沿船长分布状况全船重力沿船长分布状况的曲线的曲线，称，称为为重力分布曲线重力分布曲线。其纵坐标表示船体梁。其纵坐标表示船体梁单位长度单位长度上重力分布值上重力分布值，即作用于单位长度上的重力值。，即作用于单位长度上的重力值。绘制重力分布曲线时，必须要有表明各项重绘制重力分布曲线时，必须要有表明各项重力及其重心位置的力及其重心位置的重力、重心明细表重力、重心明细表，以及确定，以及确定各项重力纵向分布范围的各项重力纵向分布范围的船体纵中剖面图船体纵中剖面图，简称，简称重力、重心资料。重力、重心资料。绘制重力分布曲线的方法绘制重力分布曲线的方法--将船舶的各项重力将船舶的各项重力按按静力等效原则静力等效原则分布在相应的船长范围内，再逐分布在相应的船长范围内，再逐项叠加即可得重力分布曲线。项叠加即可得重力分布曲线。手工计算时，通常将手工计算时，通常将船舶重力按船舶重力按2020个理论站个理论站站距分布站距分布((民船的理论站号从船艉至船艏，军船则民船的理论站号从船艉至船艏，军船则是从船艏至船艉编排是从船艏至船艉编排))。。每个理论站距内的重力可以认为均匀分布每个理论站距内的重力可以认为均匀分布，，从而作出阶梯形重力分布曲线，并以此来代替真从而作出阶梯形重力分布曲线，并以此来代替真实的重力分布曲线。实的重力分布曲线。阶梯形重力分布曲线二、重力分类二、重力分类((一一))按变动情况来分按变动情况来分①①不变重力不变重力--即空船重力，包括：船体结构、舾装即空船重力，包括：船体结构、舾装设备、机电设备等各项固定重力。设备、机电设备等各项固定重力。②②变动重力变动重力--即装载重力，包括：货物、燃油、淡即装载重力，包括：货物、燃油、淡水、粮食、旅客、压载等各项可变重力。水、粮食、旅客、压载等各项可变重力。①①总体性重力总体性重力--即沿船体梁全长分布的重力，通常即沿船体梁全长分布的重力，通常包括：主体结构、油漆、索具等各项重力。包括：主体结构、油漆、索具等各项重力。②②局部性重力局部性重力--即沿船长某一区段分布的重力，通即沿船长某一区段分布的重力，通常包括：货物、燃油、淡水、粮食、机电设备、常包括：货物、燃油、淡水、粮食、机电设备、舾装设备等各项重力。舾装设备等各项重力。在实际重力分布曲线计算过程中，在实际重力分布曲线计算过程中，首先确定首先确定计算状态（也就是确定变动重力计算状态（也就是确定变动重力))，再按总体性重，再按总体性重力和局部性重力分别计算各理论站的重力分布，力和局部性重力分别计算各理论站的重力分布，最后合成总的重力分布曲线最后合成总的重力分布曲线。。三、局部性重力的分配方法三、局部性重力的分配方法((一一))分布在分布在22个理论站距内的重力个理论站距内的重力△△((二二))分布在分布在33个理论站距内的重力个理论站距内的重力△△△△△△△△((三三))艏、艉理论站外的重力艏、艉理论站外的重力四、总体性重力的分布四、总体性重力的分布--梯形法梯形法确定船体结构重力分布是绘制重力曲线的主要项目之确定船体结构重力分布是绘制重力曲线的主要项目之一。其常常在详细设计完成之前就需要完成，此时只需确一。其常常在详细设计完成之前就需要完成，此时只需确定总的重力和重心的纵向坐标。定总的重力和重心的纵向坐标。一些船舶往往一些船舶往往舯部丰满、两端尖瘦，且舯部具有平行舯部丰满、两端尖瘦，且舯部具有平行中体中体，所以可以将船体和舾装重力近似地用下图曲线表，所以可以将船体和舾装重力近似地用下图曲线表示，即示，即平行舯体部分用均匀的重力分布平行舯体部分用均匀的重力分布，而，而两端部分用两两端部分用两个梯形分布个梯形分布((通常为简化计算，通常为简化计算，33部分的长度均为船长的部分的长度均为船长的1/3)1/3)。。艉艏⎪⎭⎪⎬⎫⋅=−=++Lxcacabg710864根据统计资料，对瘦形船舶，根据统计资料，对瘦形船舶，bb＝＝1.951.95，，于是由式于是由式（（11--77）求得：）求得：对肥形船，对肥形船，bb＝＝1.741.74，，于是由式（于是由式（11--77）求得：）求得：⎪⎪⎭⎪⎪⎬⎫−=+=LxcLxagg75461.075461.0⎪⎪⎭−=Lxcg754652.0⎪⎪⎬⎫+=Lxag754652.01.21.2静水浮力曲线静水浮力曲线舰船在静水中的某一计算状态下舰船在静水中的某一计算状态下((一般为一般为正常排水正常排水量状态量状态))，描述浮力沿船长分布状况的曲线称为，描述浮力沿船长分布状况的曲线称为静静水浮力曲线水浮力曲线。。浮力曲线的纵坐标浮力曲线的纵坐标表示作用在船体梁上表示作用在船体梁上单位长度的单位长度的浮力值浮力值，其与纵向坐标轴所围的面积等于作用在船，其与纵向坐标轴所围的面积等于作用在船体上的浮力体上的浮力BB，，该面积的形心纵向坐标即为浮心的该面积的形心纵向坐标即为浮心的纵向位置纵向位置xxbb。。通常根据通常根据邦戎曲线邦戎曲线来绘制浮力曲线。来绘制浮力曲线。为此，首先应进行静水平衡浮态计算，以确定船舶为此，首先应进行静水平衡浮态计算，以确定船舶在静水中的艏、艉吃水。在静水中的艏、艉吃水。1.2.11.2.1浮态第浮态第11次近似计算次近似计算''ψψ纵稳心半径R⎪⎪⎭⎪⎪⎬⎫−+−=−−+=RxxxLddRxxxLddbgfmabgfmf)2()2(11艏、艉吃艏、艉吃水确定后，利用水确定后，利用邦戎曲线求出对邦戎曲线求出对应于该吃水线时应于该吃水线时的浮力分布，同的浮力分布，同时计算出总浮力时计算出总浮力BB11及浮心纵向坐及浮心纵向坐标标xxbb11的第的第11次近次近似计算值。似计算值。⎪⎪⎭⎪⎪⎬⎫≤−≤−)%1.0~05.0()%5.0~1.0(LxxWBWbigi1.2.21.2.2浮态第浮态第22次近似计算次近似计算⎪⎪⎭⎪⎪⎬⎫−++−+=−−+−+=RxxxLgABWddRxxxLgABWddbgfaabgfff11121112)2()2(ρρ⎪⎪⎭⎪⎪⎬⎫≤−≤−)%1.0~05.0()%5.0~1.0(LxxWBWbigi1.2.31.2.3浮力曲线计算浮力曲线计算在手工计算时，静水平衡计算可采用在手工计算时，静水平衡计算可采用表格方式进行，当静水平衡计算完成时，表格方式进行，当静水平衡计算完成时，浮力曲线即可绘制。浮力曲线即可绘制。2)(11,LFFgBiiiiΔ+=++ρ1.31.3载荷曲线、静水剪力、弯矩曲线载荷曲线、静水剪力、弯矩曲线1.3.11.3.1载荷曲线载荷曲线)()()(xbxwxq−=⎪⎭⎪⎬⎫=−=−==−=−=∫∫∫∫∫∫LLbgLLLLBxWxdxxxbdxxxwdxxxqBWdxxbdxxwdxxq0000000)()()(0)()()(特点特点::载荷曲线与纵向坐标轴线之间所围的面积载荷曲线与纵向坐标轴线之间所围的面积之和（代数和）为零，该面积对纵轴上任之和（代数和）为零，该面积对纵轴上任一点的静力矩亦为零一点的静力矩亦为零。。1.3.21.3.2静水剪力、弯矩曲线静水剪力、弯矩曲线船体梁在静水中所受到的剪力和弯矩沿船长船体梁在静水中所受到的剪力和弯矩沿船长分布状况的曲线分别称为分布状况的曲线分别称为静水剪力曲线和静水弯静水剪力曲线和静水弯矩曲线矩曲线。。⎪⎭⎪⎬⎫===∫∫∫∫xxsxssxssdxdxxqdxxNxMdxxqxN0000)()()()()(∫∫⋅=LLgdxxwdxxwxx00)()(∫∫⋅=LLbdxxbdxxbxx00)()(特点：特点：静水载荷曲线的静水载荷曲线的一次积分是静水剪力曲一次积分是静水剪力曲线，二次积分是静水弯矩曲线线，二次积分是静水弯矩曲线。。由于船体两端是完全自由的，因此由于船体两端是完全自由的，因此艏、艉艏、艉端点处的剪力和弯矩应为零，亦即剪力和端点处的剪力和弯矩应为零，亦即剪力和弯矩曲线在端点处是封闭的弯矩曲线在端点处是封闭的。。在大多数情况下，载荷在船舯前和舯后大在大多数情况下，载荷在船舯前和舯后大致上是差不多的，所以致上是差不多的，所以剪力曲线大致是反剪力曲线大致是反对称的，零点在靠近船舯的某处，而在离对称的，零点在靠近船舯的某处，而在离艏、艉端约船长的艏、艉端约船长的1/41/4处具有最大正值或负处具有最大正值或负值值。。由于两端的剪力为零，即弯矩曲线在两端由于两端的剪力为零，即弯矩曲线在两端的斜率为零，所以的斜率为零，所以弯矩曲线在两端与纵坐弯矩曲线在两端与纵坐标轴相切标轴相切。在计算过程中，常常利用这些。在计算过程中，常常利用这些性质来检查计算结果是否正确。性质来检查计算结果是否正确。修正：修正：)20(20)(ssNiiN−=Δ)20(20)(ssMiiM−=Δ△△1.41.4静置波浪附加剪力和弯矩计算静置波浪附加剪力和弯矩计算舰船由静水进入波浪时，重力曲线舰船由静水进入波浪时，重力曲线pp((xx))并未改变，但水线面发生了变化，从而导并未改变，但水线面发生了变化，从而导致浮力的重新分布。致浮力的重新分布。波浪上浮力曲线相对波浪上浮力曲线相对静水状态的浮力增量将引起静置波浪附加静水状态的浮力增量将引起静置波浪附加剪力和弯矩的载荷。剪力和弯矩的载荷。由此可知，静置波浪由此可知，静置波浪附加剪力和弯矩与船型、波浪要素以及计附加剪力和弯矩与船型、波浪要素以及计算状态有关。算状态有关。1.4.11.4.1概述概述一、波浪要素及计算状态一、波浪要素及计算状态波浪要素包括波形、波长与波高波浪要素包括波形、波长与波高。目前。目前得到最广泛应用的是得到最广泛应用的是坦谷波理论坦谷波理论。根据这一。根据这一理论，理论，二维波的剖面是坦谷曲线形状二维波的剖面是坦谷曲线形状。。波高静水面波峰波峰λ波长λ当船舶静置在波浪上的位置发生变化时，船当船舶静置在波浪上的位置发生变化时，船体剖面上的弯矩也将发生变化。体剖面上的弯矩也将发生变化。当波峰或波当波峰或波谷在船舯时谷在船舯时，浮力相对于静水线的改变最为，浮力相对于静水线的改变最为明显，因此在船舯剖面会产生最大的波浪弯明显，因此在船舯剖面会产生最大的波浪弯矩矩。。计算分析表明，当船舶静置在波浪上时计算分析表明，当船舶静置在波浪上时,,在波在波长稍大于船长时才得到最大的波浪弯矩，但长稍大于船长时才得到最大的波浪弯矩，但此时的弯矩与波长等于船长时的弯矩相差不此时的弯矩与波长等于船长时的弯矩相差不大。所以，大。所以，在实际计算时，在实际计算时，取计算波长等于取计算波长等于船长船长，并且规定按波峰在船舯和波谷在船舯，并且规定按波峰在船舯和波谷在船舯两种典型状态进行计算两种典型状态进行计算。。