第三 船体结构局部强计算.pptx

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1、3.1 3.1 局部强度计算的力学模型局部强度计算的力学模型 局部强度概念：船体在外力作用下除发生总纵弯曲变形外，各局部结构，如船底、甲板、船侧和舱壁板架以及横向肋骨框架也会因局部载作用而发生变形、失稳或破坏。研究它们的强度问题称为局部强度。局部强度的主要研究内容：板架、框架、各种骨材以及壳板的强度计算。第1页/共59页3.1.1 3.1.1 建立计算模型的原则建立计算模型的原则 结构模型化是计算的前提和结构分析成败的关键，影响计算模型的主要因素有下列几点：1、结构的重要性：对重要结构应采用比较精确的计算模型；2、设计阶段：在初步设计阶段可用较粗糙的模型，在详细设计阶段则需要较精确的计算模型；

2、3、计算问题的性质：对于结构静力分析，一般可用较复杂的计算模型，对于结构动力和稳定性分析，由于问题比较复杂，可用较简单的计算模型。第2页/共59页3.1.2 3.1.2 构件几何尺寸的简化构件几何尺寸的简化 1、板架计算时：其长度、宽度取相应的支持构件间距离。例如，船底板架和甲板板架的长度取横舱壁之间的距离，宽度取组成肋骨框架梁中和轴的跨距，或简单地取为船宽。2、肋骨刚架计算时：其长度、宽度取组成肋骨框架梁的中和轴线交点间距离，用中和轴线代替实际构件。3、构件剖面要素计算时应包括带板（附连翼板）。第3页/共59页3.1.3 3.1.3 骨架支撑条件的简化骨架支撑条件的简化1、骨架支座形式：（1

3、）自由支持在刚性支座上；（2）刚性固定；（3）弹性支座和弹性固定。简化成何种支座，视相邻构件与计算构件间的相对刚度及受力后的变形特点而定。正确分析结构变形特点才能作到力学上的等价，这是模型化的关键。支座简化具体可参见船舶结构力学，这里只作如下简单介绍。第4页/共59页2、船底纵骨简化 由于实肋板刚性远大于纵骨，可视为纵骨的刚性支座，又因变形的对称性，计算船底纵骨强度时可按两端刚性固定的单跨梁来进行。第5页/共59页3、甲板纵骨简化 在船舶中垂弯曲时受轴向压力作用，纵骨稳定性计算时，根据其变形特点可作为两端自由支持的单跨梁来计算。第6页/共59页4、肋骨框架简化 由于肋板刚度远大于肋骨，故肋骨下

4、端刚性固定；因甲板无载荷，故又可简化为弹性固定的单跨梁。第7页/共59页5、板架的交叉梁系 多数情况下，交叉构件在横舱壁处可认为是刚性固定。船底板架在舷侧处的固定情况可通过肋骨刚架计算来确定，但通常计算中近似认为自由支持在舷侧，因为肋骨的刚度比肋板小得多。第8页/共59页3.1.4 3.1.4 结构处理模型化结构处理模型化1、结构对称性的利用 船体结构一般都是左右对称的，充分利用这个特点可大大减少未知量的数目。如果结构与载荷都是对称的，可取一半结构进行计算，在对称面的各节点加上适当的约束，如下图(a)所示。如果结构具有纵、横双重对称性，载荷也可对称，则可取 1/4结构进行计算。例如受均布水压力

5、作用的双层底板架，如下图（b）。第9页/共59页第10页/共59页 当结构对称、载荷不对称时，可将载荷分解当结构对称、载荷不对称时，可将载荷分解为对为对称与反对称两种情况计算，然后迭加。如图所示称与反对称两种情况计算，然后迭加。如图所示的肋骨刚架的弯矩，可用图（的肋骨刚架的弯矩，可用图（b b）和（）和（c c）两刚架）两刚架计算结果合成得到计算结果合成得到第11页/共59页2、等效刚度模型的利用 等效模型可使自由度大为减少。例如，将空间结构用平面结构模型，设置一维模型来计算；用弹性支座或弹性固定端代替相邻结构等。例如下图中的大舱口货船的悬臂梁结构简化模型。第12页/共59页3.1.5 3.1

6、.5 载荷模型化载荷模型化 载荷模型化的目的是，选择船舶在运营中可能遇到的较危险的和经常性的荷重情况，并能用有限参数来描述实际载荷。在载荷模型化时应考虑如下问题：（1）确定作用于结构上的载荷工况；（2）确定计算载荷的性质（不变载荷、静变载荷、动变荷重和冲击荷重）与载荷类型（经常性载荷、偶然性荷重）；（3）确定载荷大小，并决定施加在哪些构件上；（4）确定载荷的组合与搭配。由于我们是在线弹性范围内进行强度校核，因此在负载载荷作用时可以应用迭加原理，即将载荷分解为简单情况分别计算，然后将应力进行迭加。第13页/共59页 局部强度计算载荷主要有货物重量和水压力，一般不计结构自重影响，因为后者与前者相比

7、可忽略不计。货物重量通常用水头高度来表达，即第14页/共59页 水压力可用两种载荷情况来考虑：一种情况是传播静置于波浪上的静水压力作为计算载荷，这时的水压头高度为：第15页/共59页 另一种情况是船舶在波浪中摇摆时，船舶倾斜的同时受到波浪冲击的动力作用。这时，舷侧浸水至甲板边线，所以静水压力可认为是型深D，即h=D。上图表示计算载荷情况。不载货的露天甲板荷重取甲板上浪或载客的相应水头高度，可按船舶建造规范规定选取，一般为 h=0.8m1.8m。第16页/共59页3.2 3.2 船体骨架的带板船体骨架的带板 船体结构中绝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

8、架抵抗变形。因此，为估算骨架的承载能力，也应当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。应当把多宽的板计算到和它连接的骨材剖面呢？由于骨架的手里情况不同，带板宽度有两种完全不同的定义和数值，即（1）压杆的（稳定性）带板宽度，；（2）梁的（弯曲）带板宽度，。第17页/共59页 受压的板和骨架，由于板和骨架的稳定性差别很大，板不能完全有效地参与工作。有人把板受压缩时沿板宽方向的压力用效果相同的平均分布在纵骨附近的家乡的压应力来代替。这种假象的平均分布的应力延纵骨两边的宽度就是压杆的带板宽度 。第18页/共59页第

9、19页/共59页 带板宽度 就是把面板宽度b中的弯曲应力化成腹板上面的面板中的应力时所需要的面板宽度。区别：计算 所用的应力 是材料的屈服极限，而计算 所用的应力 是骨架弯曲时其带板（厚度为t）中x方向（骨架方向）的正应力。第20页/共59页 由上式可见，带板宽度 的意义是：把本来较宽（宽度为b）而应力分布不均匀的附连翼板，用一块宽度较小（为 ）而应力等于腹板边缘处的最大弯曲应力 的带板来替代。这样代替以后的实际效果不变，而计算含带板的骨架剖面模数时概念明确，计算方便。第21页/共59页第22页/共59页3.3 3.3 典型船体结构的局部强度计算典型船体结构的局部强度计算 船体的一些典型结构有

10、船底、甲板、舷侧、舱壁等，本节按照传统的船舶结构力学方法建立计算模型，来计算它们的局部强度和稳定性。第23页/共59页3.3.1 3.3.1 船底结构的强度计算船底结构的强度计算 船底是船体梁的下翼板，受到很大的总纵弯曲应力；此外还承受着机器重量、货物重量、压载水及舷外水压力等横向载荷；对一些在波浪中高速航行的船底部，特别是在首部附近还受到很大的冲击力。在总强度校核时，船底纵桁应力要与总纵弯曲应力合成，此时船底板架的计算载荷，应取相应于船舶总纵弯曲计算时的载荷状态和波浪位置的水头，中拱状态时此水头不得小于0.6D（D为型深）；在局部强度计算时，船底板架计算水头高度取为h=型深（D）。船底板架的

11、设计不仅应满足船体总纵强度的要求，而且要保证能够承受上述各种局部载荷的作用。第24页/共59页1、船底外板的强度计算 对于横骨架式板格，若c/s2，则长边中点（2点）的最大应力（延船长方向）可按下式计算：板中点（1点）沿船长方向的应力为：第25页/共59页纵骨架式板格，若s/b1.52.5时，可按下式计算：第26页/共59页2、船底纵骨弯曲应力计算 船底纵骨由肋板支持，可简化为两端刚性固定在肋板上的单跨梁，其支座剖面和跨中的弯矩按下式计算：第27页/共59页3、船底板架计算 船底一般都是由多根交叉构件和很多主向梁组成的板架。对于横骨架式板架（图a），主向梁（实肋板）承受肋板间距范围内的荷重，交

12、叉构件只承受节点反力；对于纵骨架式板架(图b)，载荷通过纵骨传给实肋板，交叉构件也只承受节点反力。如下图所示。多根交叉构件板架的计算可采用船舶结构力学中介绍的近似方法主向梁节点挠度选择法。第28页/共59页第29页/共59页第30页/共59页3.3.2 3.3.2 甲板结构的强度计算甲板结构的强度计算 上甲板是船体等值梁的上翼板，它对保证船体总强度起重要作用。下甲板主要承受货物重量，首先应保证其局部强度。无论哪一层甲板均要承受均布的横向载荷。对于上层露天甲板如不用来载货的话，则认为它承受的是波浪打上甲板堆集起来的水的重量。海船规范规定，露天强力甲板计算水头高度在1.21.5m之间，不小于按下式

13、计算值，即第31页/共59页1.甲板板架的强度计算 有图为典型的纵骨架式甲板板架，有半纵舱壁或在舱口端梁中点设置支柱。甲板纵桁和舱口端梁的计算可简化为图（b）和（c）的计算模型，其中荷重可化为：甲板纵桁归结为刚性或弹性固定在横舱壁上，并有中间弹性支座（舱口端梁）的阶梯型变形断面梁的计算。舱口端梁对甲板纵桁的弹性支座的柔性系数A=v/R=v。第32页/共59页 甲板纵桁的计算可采用五弯矩法。取舱壁处和舱口端梁处剖面弯矩为未知数 和 。求得 和 后可按下式计算甲板纵桁跨中的弯矩：甲板纵桁在跨中的最大挠度为：舱口端梁的强度应按承受甲板纵桁传来的反力R进行计算。反力R有下式确定：第33页/共59页 舱

14、口区强横梁的强度可按下图计算。认为强横梁自由支持在甲板纵桁上，并且在一般情况下弹性固定在舷侧上。强横梁在舷侧的弹性固定柔性系数第34页/共59页 对于没有半纵舱壁板或在舱口端梁中点无支柱的甲板板架需要计算由甲板纵桁和舱口端梁组成的井字形交叉梁系，如下图所示。第35页/共59页2.甲板纵骨的强度计算 作用在甲板纵骨上的力，除横荷重外还有总纵弯曲产生的轴向力，它对甲板纵骨的弯曲有一定的影响，必须把甲板纵骨作为复杂弯曲梁来计算。由于结构和荷重的对称性，甲板纵骨视为两端刚固在强横梁上，受均布力q和轴向力T作用的单跨梁第36页/共59页 由于船舶力学中梁的复杂弯曲计算可知，轴向拉力对纵骨弯曲产生有利影响

15、，轴向压力产生不利影响。当T为压力时，可求得甲板纵骨的最大弯曲应力发生在支座剖面处，其应力值为：考虑到甲板纵骨同时有总纵弯曲应力作用，所以它的局部强度许用应力一般较小，约在50MPa左右。第37页/共59页3.3.3 3.3.3 舷侧结构的强度计算舷侧结构的强度计算1.舷侧外板的强度计算 作用在舷侧外板上的静水压力呈三角形或梯形分布，在舭列板上缘最大。由于在水线附近的外板承受较大的波浪冲击且腐蚀比较严重，加之易遭受碰撞等意外荷重，故在计算舷侧外板局部强度时把荷重取为均布的，并以舭列板上缘的水压力为计算荷重。第38页/共59页 由于结构、荷重的由于结构、荷重的对称性，计算时把舷对称性，计算时把舷

16、侧外板作为刚性固定侧外板作为刚性固定在支持周界上，因此在支持周界上，因此可参照船底外板的局可参照船底外板的局部强度计算公式。部强度计算公式。为了提高舷顶列板的工作能力，应保证它作用在船体总纵弯曲应力和剪应力联合作用下不发生破坏，同时按相当应力进行校核，其值不应超过材料的屈服极限 ，即 第39页/共59页2.舷侧板架计算 船侧板架从它的功用和受力特点看，采用横骨架式为宜，因为横骨架式船侧板架对建造工艺、扩大舱容以及防碰和传递垂向作用力等都是有利的。第40页/共59页第41页/共59页3.3.4 3.3.4 舱壁结构的强度计算舱壁结构的强度计算 舱壁是用来分隔船体内部空间，把船体分成一个个单独舱室

17、供装货、载客和安装机电设备等用，此外，为了保证安全航行，它还要满足抗沉性的要求。按舱壁在船体内部的布置方向，可划分成横舱壁和纵舱壁二种。对具有相当强度并保持水密性的那些舱壁称为主舱壁，主舱壁除了作为船底、甲板和船侧板架的支承外，还起到船体横向加强的作用。和主舱壁相接的最上层甲板称为舱壁甲板。舱壁结构型式分二种：一种是由舱壁板和扶强材组成的平面舱壁；一种是将钢板压成具有某种截面形状的波形板以代替板和扶强材的作用，这种称为皱折舱壁。第42页/共59页1.平面舱壁板的强度计算 被扶强材支持的舱壁板，由于结构和载荷的对称性变形呈现筒形，故舱壁板可按两端固定的板条梁来计算。第43页/共59页 两端刚固的

18、板条梁最大应力与水头高度h的关系如图：第44页/共59页 由图可知，板的跨度与厚度之比=s/t7080，应计及中面应力对半的弯曲影响，与刚性板相比将使挠度与应力减小。第45页/共59页2.平面舱壁构架的强度设计 舱壁扶强材在其端部的固定情况分为：（1）当底部和甲板均为横骨架式时，扶强材两端用肘板连接到横梁和肋板上如（a），此时扶强材下端可视为刚固，上端可视为弹性固定。第46页/共59页（2）当底部和甲板为纵骨架式时，舱壁扶强材与内底纵骨连接并固定在其上如图（b）。此时认为扶强材两端弹性固定，弹性固定端的柔性系数可近似取为：（3）若扶强材两端削斜或焊在水平桁上如图（c）则认为扶强材两端自由支持。

19、第47页/共59页 若舱壁构件由扶强材、水平桁及竖桁组成，计算应分两部分：普通扶强材当作连续梁计算；桁材当作交叉梁计算。第48页/共59页3.皱折舱壁的强度计算 皱折舱壁的断面形状呈槽形或波型。这种结构型式在简化工艺和减轻结构重量等方面效果显著，近来在一些大型散装船和液货船上采用得较多；在船舶上层建筑的轻型围壁上因为板比较薄，如采用板与骨材的焊接或铆接结构在工艺和重量上会带来问题，如采用皱折型式不但结构轻、工艺性好、而且挺性也好。（1）皱折舱壁的几何要素 槽形和波形舱壁的一个单元如下图a、b所示，称为波条。第49页/共59页第50页/共59页第51页/共59页（2）槽形舱壁的强度与稳定性计算

20、一般分为两步计算：首先，把槽形舱壁作为一个整体，计算在横荷重作用下沿纵向（槽形体方向）和横向（垂直于槽形体方向）的弯曲强度，通常称为槽形舱壁的总强度。其次计算槽形体的折曲钢板在横荷重作用下的横向局部弯曲强度，称为局部强度。第52页/共59页 槽形舱壁总强度计算：槽形舱壁的总强度归结为其单个槽形体（与平面舱壁的扶强材相当）的弯曲强度，作为弹性固定的单跨梁或连续梁来计算。槽形体水平翼板和倾斜板面内相应的最大应力为：若最大弯矩产生在跨中，计及折曲板局部弯曲引起应力的槽形体横剖面内最大纵向应力值为：第53页/共59页 槽形舱壁局部强度舱壁板的强度计算 槽形体的折曲钢板间具有互相支持作用，而且槽形体的长宽比（l/a）一般大于2.5，因此折曲钢板槽形舱壁在横荷重作用下的局部弯曲可作为筒形面弯曲的连续板条梁来考虑。第54页/共59页 用结构力学中的连续板条梁的三弯矩方程，可求得槽形体棱边处单位宽度的弯矩M1和M2第55页/共59页 槽形舱壁的稳定性计算 槽形舱壁的水平翼板，在波条弯曲时承受压力，可能失稳，其局部稳定性可按矩形板公式计算其式为 在设计中，希望临界应力 达到材料的屈服极限 ，但在任何情况下不得小于 。第56页/共59页（3）波形舱壁的总强度与稳定性计算第57页/共59页第58页/共59页感谢您的观看！第59页/共59页