钢结构局部强度计算(共53页).doc
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1、精选优质文档-倾情为你奉上钢结构局部强度计算目 录绪 论船体结构设计内容是:选择合适的结构材料和结构形式,决定结构的尺寸和连接方式;在保证结构具有足够强度和安全性的前提下,使其具有最佳的技术经济性和美观性.影响船体结构强度(结构安全性)的因素主要有两方面:载荷效应和材料性能.长期以来,结构的安全性衡量标准都普遍采用确定性的许用应力法.该法以预先规定的某一计算载荷为基础,利用结构剖面中的计算应力与许用应力相比较来检验强度是否足够.0.1 强度的分类船体结构强度,按作用范围可分为:总强度、区域强度(甲板强度、舱壁强度、底板强度等)和局部强度.船体结构强度,按作用形式可分为:纵向强度、横向强度和扭转
2、强度.0.2 载荷的分类1. 作用在船体结构上的载荷,按其对结构的影响可分为:总体性载荷和局部性载荷.a) 总体性载荷:是指引起整个船体变形或破坏的载荷和载荷效应.例如:总纵弯曲的力矩,剪力,应力及纵向扭矩b) 局部性载荷:是指引起局部结构,构件的变或破坏的载荷.例如:水密试验的压力,设备不平衡造成的惯性力,局部振动等.另外,货物,油,水等重力及舷外水压(静水或波浪)既能引起引起局部结构和构件的变形或破坏,又能引起总纵弯曲,扭转甚至船的断裂.2. 作用在船体结构上的载荷,按载荷随时间变化的性质可分为:不变载荷,静变载荷,动变载荷和冲击载荷.a) 不变载荷:是指在作用时间内不改变其大小的载荷.例
3、如:静水载荷(包括静水压力,货物压力,静水弯矩等),水密试验时的水压等.b) 静变载荷:是指载荷在作用时间内有变化,但其变化的最小周期超过该受力结构的固有震动周期若干倍,又称准静态载荷.例如:波浪载荷,液体货物的晃动压力,航行中的甲板上浪等.c) 动变载荷:是指在作用时间内的变化周期与所研究的结构响应的固有振动周期同阶.例如:螺旋桨引起的脉动压力,局部结构的强迫(机械)震动等.d) 冲击载荷:是指在非常短的时间内突然作用的载荷.例如船底砰击(见图).0.3 构件变形的分类当构件的承载能力不能满足载荷对其产生的应力时,该构件的存在形式会产生变化.一般情况下可以分为:屈服和断裂.屈服分为压缩、拉伸
4、和扭转变形.0.4 许用应力与安全因数许用应力是由材料本身决定的.比如说钢的密度7.85(g/cm3),抗拉强度=1.03GPa,弹性模数E=2.1102 GPa.极限应力:材料丧失正常工作能力时的应力,称为极限应力.塑性材料的极限应力为其屈服点.脆性材料的极限应力为其抗拉(压)强度.许用应力:为保证构建安全工作,需有足够的安全储备,因此把极限应力除以大于1的安全因数n作为材料的许用应力,记作,即=对于塑性材料:=;对于脆性材料:=.式中ns为屈服安全因数,nb为断裂安全因数.一般取ns=1.21.5;nb=2.02.3.许用切应力:脆性材料=(0.81.0)韧性材料=(0.50.8)第一章
5、杆件的强度和稳定性计算1.1 型材剖面要素的计算1.1.1型材带板船体结构中大多数骨架都是焊接在钢板上的,当骨架受力发生变形时,与它连接的板也一起参加骨架抵抗变形。因此估算骨架的承载能力,也应把一定宽度的板计算在骨架剖面中,即作为它的组成部分来计算骨架梁的剖面积,惯性矩和剖面模数等几何要素,这部分板称为带板或附连翼板。带板有效面积:A=10fbt (cm)式中:f=0.3(L/b)2/3,但是不大于1; b主要构件支撑面积平均宽度,m; L主要构件的长度,m; t带板的平均厚度,mm.此外法国,挪威等国家的规范规定:计算带板时要考虑相邻构件的影响.常见的型材带板面积见附录一1.1.2 型材剖面
6、模数与惯性矩的计算剖面对中和轴的惯性矩为:型材面板的剖面模数为:型材带板的剖面模数为:式中,剖面中和轴至参考轴的距离为:规律:1. 只要剖面高度h不变,增加带板面积虽然可以增加剖面模数,但增加得极为缓慢,就是说带板的变化对剖面模数影响不大,而且从节约材料(经济)的观点来看,也不是上选。2. 增加不对称型材最小剖面模数的最有效办法是增加腹板高度;或者腹板高度不变时,增加小翼板的剖面积。常见截面的剖面模数可参考表1-1和附录一(常用型材规格表以及其他材料手册)。表1-1常见截面的惯性矩和抗弯截面系数表 图 形型心位置惯性矩cm4抗弯截面系数cm3e=h/2Ix=hb/12Iy=bh/12Wx=bh
7、/6Wy=hb/6e=H/2Ix=(BH-bh)/12Iy=(HB-hb)/12Wx=BH/6-bh/6HWy=HB/6-hb/6Be=H/2Ix=(BH-bh)/12Iy=(H-h)B+h(B-h)/12Wx=BH/6-bh/6HWy=(H-h)B+h(B-h)/6Be=D/2Ix=Iy=D4/64Wx= Wy=D3/32e=D/2Ix=Iy=(D4-d4)/64Wx=Wy=D3(1-4)/32=d/De=h/3Ix=bh3/36Wx=bh/121.2拉杆和短粗压杆的强度设计1.2.1 危险点的位置一般来说危险点是指危险截面上具有最大应力的点。杆件在轴向拉伸或压缩时,最大轴力所在截面或尺寸最
8、小的截面都可能是危险截面。由于拉压杆横截面上的正应力是均匀分布的,所以危险截面上的任何一点都是危险点。1.2.2 强度设计如图所示,当构件受到纵向拉伸或压缩时,该构件的强度校核标准为:max = 强度满足.max = 强度不满足,需要加强。 当次要区域结构受到不变载荷时:100%5% 强度满足,可以不做加强.式中:FN max最大载荷,N;A受力构件最小横截面积,mm2;max最大工作应力N/ mm2;许用应力一般在静载情况下,杆件的抗拉强度要小于抗压强度?。1.3 压杆的稳定性计算1.3.1细长杆的稳定性计算细长压杆往往在因强度不足而破坏以前,就因为它不能维持直线形状而失去正常工作能力。这是
9、和强度问题截然不同的一类问题,即稳定性问题。压杆丧失其直线形状的平稳而过渡为曲线形状的现象,称为丧失稳定,简称失稳。这种使压杆直线状态的平衡开始由稳定转变为不稳定的轴向压力的极限值,称为压杆的临界载荷,用Fcr表示。由欧拉公式可得:Fcr=式中:系数称为长度因数;压杆失稳时截面对其中性轴的惯性矩;弹性模量GPa.(一般低碳钢取值200220;合金钢取值190220)压杆在临界载荷作用下,其横截面上的平均应力称为压杆的临界应力,用表示,即=几种常见的细长中心压杆的临界载荷与长度因数见表1-2表1-2常见的细长中心压杆的临界载荷与长度因数支持方式两端固定一端固定一端铰支两端铰支一端固定一端自由挠曲
10、轴形状0.50.71.02.0因为压杆截面的惯性的惯性半径,所以有=令,则有=式中称压杆的柔度,或细长比,越大,即杆越细长,则临界应力越小,压杆越容易失稳。令,则只有时,欧拉公式才成立.这类压杆称为大柔度杆,即细长杆。1.3.2中小柔度压杆的稳定性计算当压杆的,但大于某一界限值时,称其中柔度杆.其临界应力公式为。式中a,b为与材料性能有关的常数,单位为MPa。几种常用材料的a,b值见表1-3.表1-3常用材料的a,b材料Q235钢 3041.1210061.6优质碳素钢 4612.568硅钢 5773.744铬钼钢9805.296550铸铁332.21.453强铝3732.14500直线公式也
11、有一定的适用范围,即压杆的临界应力不超过材料的屈服点(塑性材料)或抗拉强度(脆性材料)。例如,对于塑性材料,在使用直线公式时,则要求 或 所以,就是直线公式的有效适用范围。对于脆性材料,只需用代替,就可以得到脆性材料适用直线公式的最小柔度值。1.3.3 压杆的稳定性计算稳定条件 或 式中为稳定安全因数,见表1-4。表1-4 常见的安全因数实际压杆金属结构中的压杆磨床油缸活塞杆高速发动机挺杆机床丝杆精密丝杆水平长丝杠低速发动机挺杆冶金设备压杆1.83.025252.544446481.4 杆件抗弯强度计算1.4.1强度要求max = 式中:W剖面模数(W=I/h),mm;I中和轴的惯性矩,mm4
12、;h危险点到中和轴的距离;M力矩(M=FL);F力,N;L力臂。1.4.2常见形式的型材受力分析表1-5 常见形式的型材受力分析条件简 图要素两端自由支持跨度内受集中应力R1=-p(b/L),R2=-p(a/L)x=a,Mmax=-Pab/Lx=L/2,Mmax=-PL/4跨度内受均布载荷R1=R2=-Q/2M=-0.5QL(x/L-x2/L2)x=1/2,Mmax=0.125QL部分跨度受均布载荷R1=-Qb/2L,R2=-Q(1-b/2L)Mmax=-0.125Qb(1+a/L)2跨度内某段受均布载荷R1=-(Q/2L)(b+2c);R2=-(Q/2L)(b+2a)xa+b,M=-(Q/2
13、L)(b+2c)x+a (Q/2b)(x-a)xa+b,M=(Q/2L)(b+2c-2L)x-Q(a+b/2)x=L/2,a=c,Mmax=-Q(2L-b)/8一端受集中应力R1=-P(L+a)/L,R2=-Pa/Lxa,M=-Pxax(a+L),M=Pa(L-x+a)/Lx(a+L),M=0两端受集中应力R1=-P1-a(P1-P2)/LR2=-P2-a(P2-P1)/Lxa,M=P1xax(a+L),M=P1a-a(P1-P2)(x-a)/L受均布载荷R1=R2=-Q(L+2a)/2xa,M=Qx2/2ax(a+L),M=Qa2/2-Q(L-x)(x-a)/2两端刚性固定跨度内受集中应力M
14、1=Pab2/L2;M2=Pa2b/L2跨度内受均布载荷M=QL(1-6x/L+6x/L)/12M=-QL/24M1=-M2=QL/12部分跨度受均布载荷M1=-Qa2(6-8a/L+3a2/L2)/12;M2=-Qa3(4-3a/L)/12L跨度内某段受均布载荷M1=(2mq/3L3)abL+(2b-a)(ab-m2);M2=(2mq/3L3)abL+(2a-b)(ab-m2);a=b,M1=-M2=Qm(3L2-4m2)/12L第二章 板的强度计算2.1 板的分类船体的平板一般受到两种类型的载荷,一是垂直于板面的横向载荷,它导致板发生弯曲;二是作用在板平面内的载荷,即板平面内的拉力或压力。
15、在这两种载荷作用下,板的剖面上将产生两种应力。作用在板平面内沿板厚度均匀分布的应力称为悬链应力a,或称为中面应力。沿板厚为线性分布的应力称为弯曲应力b。板内总应力即为两者之和,如图2-1所示。图 2-1按照板在弯曲时所形成的应力状态的特征,可将板划分为:1. 刚性板:是指弯曲时悬链应力可以忽略的板,又称为 绝对刚性板;2. 有限刚性板:是指弯曲时悬链应力与弯曲应力可以比拟,同时计及这两类应力的板为 柔性板;3. 绝对柔性板:是指悬链应力比弯曲应力大得多,以至可以将弯曲应力忽略不计的板.2.2 刚性板的应力计算2.2.1均布载荷板内最大正应力的计算垂直于x 轴剖面上下表面的正应力(N/mm2):
16、1=6M1/t2垂直于y轴剖面上下表面的正应力(N/mm2):2=6M2/t2式中:M1板中心处平行y轴的剖面上的最大弯矩M2板中心处平行x轴的剖面上的最大弯矩M1和M2的取值可参考:承受均布载荷钢板弯曲要素表2-1;2-2;2-3。表2-1 四周自由支持的板(,)(,)(,)(,)(,)x=0,x=ay=0,y=bM1M2N1N2R1R2k1K2pbK3pbK4pbK5pbK6pbK7paba/bk1K2K3K4K5K6K71.00.04430.04790.04790.3380.3380.2500.2501.10.05300.04940.05530.3460.360-1.20.06160.0
17、5010.06260.3520.3800.2600.2851.30.06970.05040.06930.3570.397-1.40.07700.05060.07530.3610.4110.2650.3101.50.08430.05000.08120.3630.424-1.60.09060.04930.08620.3660.4350.2670.3321.70.09640.04860.09080.3670.444-1.80.10170.04790.09480.3680.4520.2710.3471.90.10640.04710.09850.3690.459-2.00.11060.04640.101
18、70.3700.4650.2720.3643.00.13360.04040.11850.3710.4930.2720.4104.00.14000.03840.12350.3710.4980.2720.4355.00.14160.03750.12460.3710.5000.2720.4520.14220.03750.12500.3710.5000.2720.500表2-2 四周刚性固定的板(,)(,)(,)(,)(,)x=0,x=ay=0,y=bM1M2N1N2R1R2k1K2pbK3pbK4p bK5p bK6pbK7paba/bk1K2K3K4K5K6K71.00.01380.02290.0
19、2290.05130.05170.2500.2501.10.01650.02340.02640.05380.05540.2530.2711.20.01910.02310.02990.05540.06120.2550.2901.30.02100.02240.03270.05630.06680.2560.3061.40.02270.02150.03400.05680.07140.2560.3201.50.02410.02040.03680.05700.07530.2550.3321.60.02510.01930.03810.05710.07840.2550.3431.70.02600.01820.
20、03420.05710.08070.2540.3521.80.02670.01740.04010.05710.08210.2530.3601.90.02720.01650.04070.05710.08260.2520.3672.00.02760.01520.04120.05710.08290.2520.3743.00.02790.01430.04150.05710.08320.2510.4124.00.02820.01390.04170.05710.08330.2510.4325.00.02840.01390.04170.05710.08330.2500.4500.02840.01390.04
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