（载运工具运用工程专业论文）基于沿海货船的总纵强度研究.pdf

中文摘要 摘要 船舶强度是船舶航行安全性的重要前提。由于船体结构本身及其环境条件的 多样性，船舶强度受多种因素的影响，其核算方法和过程也极其复杂。现代船舶 在各个设计阶段，都对其强度进行初步的估算，而船舶建造完工后，其典型载况 下的船舶强度及强度核算资料都在船舶资料中提供。 但目前一些我国沿海航行的中小型货船，船型较老，设计方法较落后，结构 稳定性不够完善；船壳板及型材的承重能力由于材料、尺寸各方面的缺陷都不如 新建船舶，造船工艺与焊接技术不先进； 患较大。有些船舶强度核算资料不完整， 营运年限较长，结构腐蚀严重，安全隐 仅有各典型载况下的核算数值，几乎无 法准确核算不同载况下的船舶强度，即使有强度核算资料，也缺乏系统、便捷的 核算指导书；有些船舶甚至资料缺失，仅凭经验进行强度的估算与检验，这些状 况都容易造成严重的事故。 本论文从船舶强度的基本概念和原理入手，通过全面分析总纵强度的计算原 理和方法，根据船舶型值表、邦戎曲线、空船重量分布等编制总纵强度核算资料， 并举例分析其误差大小、产生原因及使用的可行性。本算法也可进行精准核算， 在初始计算各横舱壁处的剪力和弯矩的同时，计算各个理论站面处的数值，得到 一组较为精确的剪力和弯矩数据。 本文以5 0 0 0 0 吨散货船为例，由上述方法求出总纵强度核算资料，并选取两 种载况，使用核算资料计算各典型剖面处的剪力和弯矩，并与其资料所附的数值 比较，论证该方法的可行性。针对总纵强度复杂的运算过程，利用e x c e l 编制了自 行核算程序，提高了计算效率。 关键词：总纵强度：沿海货船；邦戎曲线；浮力 英文摘要 a b s t r a c t s t r e n g t ho ft h es h i pi sa l li m p o r t a n tp r e r e q u i s i t ef o rt h es a f e t yo fn a v i g a t i o n a s t h ed i v e r s i t yo fh u l ls t r u c t u r ei t s e l fa n de n v i r o n m e n t a lc o n d i t i o n s ，s t r e n g t ho ft h es h i p a f f e c t e db ym a n yf a c t o r s ，i t sa c c o u n t i n gm e t h o d sa n dp r o c e s s e sa r ee x t r e m e l yc o m p l e x r e c e n t l yi ne a c hd e s i g ns t a g eo fs h i p ，ap r e l i m i n a r ye s t i m a t eo fi t si n t e n s i t y ，w h i l et h e s h i pc o n s t r u c t i o na f t e rt h ec o m p l e t i o no ft h et y p i c a ls t r e n g t ho ft h es h i pu n d e rt h e c o n d i t i o n sc o n t a i n e di nt h ei n t e n s i t ya n dt h ea c c o u n t i n gd a t ai st h ei n f o r m a t i o np r o v i d e d i n t h es h i p b u tan u m b e ro fs m a l la n dm e d i u ms i z e dc o a s t a lb u l kc a r r i e rs a i l i n g ，s h i po l d e r ， m o r eb a c k w a r dd e s i g nm e t h o d s ，s t r u c t u r a ls t a b i l i t y ，n o tp e r f e c t ；h u l lp l a t e sa n d p r o f i l e s o ft h el o a d b e a r i n gc a p a c i t yd u et om a t e r i a l ，s i z e ，d e f e c t si nv a r i o u sa s p e c t sn o ta sg o o d a sn e w s h i p s ，s h i p b u i l d i n gt e c h n o l o g ya n dw e l d i n gt e c h n o l o g yw e l d i n gt e c h n o l o g yi s n o ta d v a n c e d ；l o n g e ro p e r a t i n gl i f e ，s t r u c t u r e ，c o r r o s i o ns e r i o u ss e c u r i t yr i s k s g r e a t e r s o m eo ft h es h i p s t r e n g t ho ft h ea c c o u n t i n gd a t ai sn o tc o m p l e t e ，o n l yu n d e rt h e c o n d i t i o n sc o n t a i n e di nt h et y p i c a la c c o u n t i n gv a l u e si sa l m o s ti m p o s s i b l et oa c c u r a t e l y a c c o u n tf o r t h ed i f f e r e n tc o n d i t i o n ss e to u tu n d e rt h es t r e n g t ho ft h es h i p ，e v e ni ft h e r ei s s t r e n g t ha c c o u n t i n gd a t a ，t h el a c ko fs y s t e m a t i ca n dc o n v e n i e n ta c c o u n t i n gi n s t r u c t i o n s ； s o m es h i p se v e nd a t am i s s i n g ，m e r ee s t i m a t e so fi n t e n s i t yo fe x p e r i e n c ea n d t e s t i n g ， t h e s ec o n d i t i o n sa r el i k e l yt oc a u s es e r i o u sa c c i d e n t s i nt h i sp a p e r ，f r o mt h es t r e n g t ho ft h es h i pt os t a r tt h eb a s i cc o n c e p t sa n d p r i n c i p l e s t h r o u g ht h ec o m p r e h e n s i v ea n a l y s i so ft h el o n g i t u d i n a l s t r e n g t ho fp r i n c i p l e sa n d m e t h o d so f c a l c u l a t i o n ，a c c o r d i n gt ot h ev a l u eo fh u l lf o r m ，s t a t e - j u n gc u r v e ，t h ew e i g h t d i s t r i b u t i o no fp a r a d i s e l o n g i t u d i n a ls t r e n g t ho ft h ep r e p a r a t i o no fa c c o u n t i n g i n f o r m a t i o n ，a n da ne x a m p l ea n a l y s i so ft h e i re r r o rs i z e ，c a u s e sa n dt h eu s eo f f e a s i b i l i t y t h i sa l g o r i t h mc a na l s ob ea c c u r a t ea c c o u n t i n go fa l lt r a n s v e r s eb u l k h e a d si nt h ei n i t i a l c a l c u l a t i o no ft h es h e a ra n db e n d i n gm o m e n ta tt h es a m et i m e ，c o m p u t i n gs u r f a c eo ft h e v a r i o u st h e o r e t i c a lp o i n t so fv a l u e ，g e ta g r o u po fm o r ep r e c i s ed a t ao nt h es h e a ra n d m o m e n t i nt h i sp a p e r ，5 0 ，0 0 0t o n so f b u l kc a r g o ，f o re x a m p l e ，d e r i v e df r o mt h el o n g i t u d i n a l s t r e n g t ho ft h ea b o v em e t h o da c c o u n t i n gi n f o r m a t i o n ，a n ds e l e c tt h et w ok i n d so fs e t c o n d i t i o n s ，t h eu s eo fa c c o u n t i n gi n f o r m a t i o nt os h o wt h a tt h et y p i c a lp r o f i l ea tt h e 英文摘要 s h e a ra n dm o m e n t ，a n dn u m e r i c a lc o m p a r i s o nw i t hd a t aa t t a c h e d ，d e m o n s t r a t i n gt h e f e a s i b i l i t yo ft h em e t h o d t h et o t a ll o n g i t u d i n a ls t r e n g t hf o rt h ec o m p l e xc o m p u t i n g p r o c e s s ，t h eu s eo fe x c e lh a sp r e p a r e di t so w na c c o u n t i n gp r o c e d u r e sa n di m p r o v et h e c o m p u t a t i o n a le f f i c i e n c y k e yw o r d s ：l o n g i t u d i n a ls t r e n g t h ；c o a s t a lv e s s e l ；b o n i e a nc u r v e ；b u o y a n c y 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成硕士学位论文竺基王造连筮魈的望继强鏖硒窟：。除论文中已经注明引用的 内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表或未公开发表 的成果。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：金笾亡 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学 位论文的规定，即：大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士 学位论文全文数据库( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、中国学位论文全 文数据库( 中国科学技术信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物形式出版发 行和提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。 本学位论文属于；保密口在年解密后适用本授权书。 不保密口( 请在以上方框内打、，) 论文作者签名：涂多兮导师签名： 劲1j 负 醐。7 嗍日 基于沿海货船的总纵强度研究 第1 章绪论 1 1 研究背景 海上运输以其运量大、成本低的优势，在当今贸易中的地位越来越重要，全 球对海运业在世界经济中的地位已达成共识。海运作为连接国与国之间最大的一 条经济纽带，在促进全球经济融合的过程中发挥着巨大的作用。 船舶作为海上运输工具，是实现海运功能的根本。现代海上运输的原则是安 全、优质、快速、经济。为了更大的提高经济效益，需要尽可能地利用船舶的装 货能力，而船舶的安全则是重中之重。由于营运周期长和海上航行自然天气状况 的不确定性，船舶的安全航行受到各种条件的制约，如海况、气候、不可抗力等。 u 。船舶在营运中将可能遭受波浪、风、碰撞、自身内力等多种作用，这就对其本身 的抵抗能力提出了要求，也就是船舶强度问题。 船舶强度主要受船体结构、材料和船舶尺度等因素制约，但具体营运过程中， 不同的装载方案，会对其产生不同的重力作用，船体所承受的载荷也有较大的差 异。若船舶的受力不合理，很可能会造成构件的疲劳损伤甚至变形、断裂等严重 后果，危及船舶的安全。w 。船舶建造完成以后，我们研究的强度问题主要是船舶装 载引起的。在造成船舶强度破坏的因素中，总纵强度对船舶整体的影响是主要的。 因此，本文主要研究船舶总纵强度的校核问题。 船舶强度核算与检验是船舶安全航行的前提工作，有些船舶配备装载核算仪， 利用计算机程序代替手动计算，根据船舶性能和指标，通过分析和计算得出货物 装载的数量、装舱顺序及船舶浮态等指标，并确定正确的配载方案，以保证船体 强度等性能。 目前我国一些沿海货船，船型和船龄较老，并没有配备核算仪。由于船舶强 度的理论计算较为复杂，在没有装载仪的情况下，即使有完整的强度核算资料， 手动计算时公式、表格较多，计算繁杂，而且误差较大，容易出错。因此，航海 上根据实践总结出了一些经验校核方法，如船中弯矩估算法、拱垂值判别法等， 这些方法在有些情况下是可以采用的，但由于船舶受力的多样性，针对各种装载 工况，所得结论不尽相同，甚至与正确结果相差较大，不能真实有效的校核船舶 第1 章绪论 强度及承载能力，容易造成结构上的损坏，留下安全隐患。 在沿海航行货船中，滩土造船占有一定的比例，这些船舶建造时船体强度考 虑不足，为节省成本，部分材料甚至不符合规定要求，营运时很可能不满足强度 条件，因此其强度核算对保证船舶安全尤为重要。 1 2 散货船装运特点及强度分析 各类船舶运输中，由于散货运输特有的廉价和方便，散货船运输在海上货物 运输中所占的地位日益重要，在货运总量中所占的比重也越来越大。以散货船为 例，分析船舶的总纵强度问题。 1 2 1 散货船结构特点 散货船通常为单层甲板结构，在货舱区域设有用来装载压载水的双层底、左 右舷对称的顶边水舱和底边水舱。舱底及舱壁所需承受的货物压力较大，在纵向 强度及局部强度上都要求较高。所以散货船在运输中，为保证船体强度满足要求， 须合理分配各舱货物的重量，通常的方法为按舱容比分配各舱货物重量。 为满足空船时船舶吃水的需要，保证螺旋桨足够的沉深，常设计一至二个兼 用作压载的货舱。为了适应运输要求，现代的散货船大多数在设计上满足装载不 同种类货物，并适于多种装载方式。对于满载或接近满载工况常采用均匀装载方 式或隔舱装载方式。 大部分散货船自身不具有装卸能力，要依靠散货码头上的装卸设备进行装卸。 散货船的装卸速度取决于岸上装卸设备的装卸效率，一般来说装卸货速度较快， 对于一艘p a n a m a x 型散货船完成从空载到满载，通常仅需十个小时左右。因此， 散货船的装卸较容易出现安全问题和操作失误，要求装卸货物前合理安排装卸货 计划及压载水打排方案，装卸过程中要协调好港方和船方的关系，严格按照装载 计划进行装卸作业。 1 2 2 船舶强度事故分析钉5 1 1 船体腐蚀与结构疲劳 随着船龄的增加，船舶不可避免要受到一些由日常操作、货物装卸、天气和 海浪等的因素影响以及海水和货物对船体构件的腐蚀，从而使船体腐蚀和疲劳增 基于沿海货船的总纵强度研究 加，船体强度减弱。因此，老龄货船如果载运高密度的货物，可能会出现船体结 构应力超过许用值的情况，造成船体的损伤。船体结构的损伤主要表现在肋骨与 船壳板等连接处由于腐蚀和疲劳而裂开，由于肋骨加强能力的减弱，舷侧抵御外 力的能力减弱，所以很容易破损，造成海水进入货舱。 2 船舶配积载不当 船体的总纵强度决定于船舶的重力和浮力纵向分布不一致时的程度，而船舶 的重力和浮力纵向分布又主要由货物配载计划而决定。不恰当的货物配载和的压 载水分布必然会使剪力、弯矩较大，甚至超过要求的最大限度，从而造成船体结 构的破坏，危及船舶安全。配载不合理形成的严重的中拱或中垂，在涌浪作用下 会产生强大的剪力和弯矩，进一步加剧船舶的危险性。 3 货物操作不当 装卸货时不恰当的装卸顺序和压载水排放顺序，也会严重影响船体强度。装 卸过程中产生的剪应力和弯矩可能会达到甚至超过许用值，久而久之使船体结构 玎 变形和损坏，给船舶安全埋下隐患。另外，在货物装卸过程中，货物抓斗和大型 铲车都有可能在作业时伤害船体结构。 如今各港口非常高的装卸效率，很容易造成每一货舱内的实际载货量与计划 装载量出现较大差别。单个货舱过载情况的出现，对整个船体和货舱段结构将会 产生较大影响。特别是满载船舶采取隔舱装载方式时，一些货舱的装载量已达到 或非常接近货舱的最大允许装载量，装载过程中出现的小量的误差就会出现货舱 装载量超过该舱的最大允许装载量的危险状况。此时将会造成横舱壁、双层底板 架结构及内外底板、船侧的肋骨及肘板、舱口隅角等结构应力过大甚至发生变形， 从而使船体结构遭受无法修复的损伤。 4 货物堆积不当 货物堆积不当造成船体结构的损伤，主要表现为： ( 1 ) 船上缺乏有效的装货监督，随意让装卸工人将高密度货物如铁矿石等堆积 在大舱中间或偏向一侧，或装钢材及大件时垫舱不足等而造成局部结构变形。特 别在有些港口，装卸工人为了贪图方便，不愿将货物均匀装入货舱各处，而是趁 船员不注意将货物全部堆积在大舱中间或他们认为方便的舱位。 第1 章绪论 ( 2 ) 有些港口的“习惯性”做法可能对船舶结构带来损坏。许多时候货物被堆积 在货舱中间并非船员缺乏有效监督造成，而是由于港口当局常以“习惯性”做法为 由，拒绝船方的要求；或者有些租家认为以前租的船这样装过，那么你的船也应 该可以接受这种装法；或者有的港口要求船方在安排装货作业顺序时，按港方“习 惯性”做法进行，这些都将对船舶结构受力产生不利的影响。1 1 2 3 散货船总纵强度的主要破损模式 散货船主要破损为：材料蚀耗、裂纹、屈服、变形。其中对散货船总纵强度产 生影响较大的结构破损模式主要有以下几种。 1 船体一般性构件腐蚀。 该腐蚀通常以大量锈皮集聚为特征。一般除散货船底部及货舱内部腐蚀较严 重外，兼做压载水舱的顶边舱腐蚀也相当严重。在我们调查的船舶中有些船甚至出 现顶边舱斜板、船内底板达到腐蚀穿孔的恶劣程度。腐蚀不仅造成厚度的普遍减 薄，同时降低板失稳的临界应力，进而造成计入船体总纵剖面模数的有效承载面积 下降，减弱船体抗弯能力。 2 因应力集中或焊接缺陷造成船体纵骨横向折断。 导致该破损主要的原因是：在焊道的引弧处和熄焊弧处、加强筋端部的包角焊 或焊缝交叉处等焊接缺陷处因应力集中所产生裂纹所致。曾经出现一艘散货船多 根纵骨在相近的横断面位置上出现断裂的情况。其破损的特点是：多出现在船底部， 不易被发现。其次，尽管纵向构件在某一位置横向折断，但对板仍能起到一定的支 持作用。 3 板架扶强材脱焊。 始发于焊缝潜在缺陷的裂纹在较高的交变应力的作用下将沿加强筋焊缝不断 扩展，造成大面积板与加强筋脱焊的情况出现。如纵骨与板脱焊、舷侧肋骨与外板 脱焊等。我们曾多次在纵骨架式甲板、纵骨架式船底、货舱舷侧肋骨等位置上发 现该类损伤。纵骨脱焊不仅造成局部应力的大幅度提高，同时也使板架承载能力下 降，进而造成船体总纵抗弯能力的下降。一般大面积的多根纵骨脱焊易被察觉并加 以维修，而小范围的少根纵骨脱焊往往被忽略。舷侧肋骨与外板脱焊因其所在区域 位于船体剖面中和轴附近，所承受的总纵弯曲压应力较小，故该破损模式对总纵 基于沿海货船的总纵强度研究 弯曲强度影响较小。但需要指出的是：焊缝潜在缺陷的裂纹有时可引起严重的局部 破坏，甚至影响到外壳板的水密完整性。 4 船体板架变形。 在总纵弯曲产生的压应力以及侧向载荷的作用下，船体板架( 如甲板板架、船 底板架等) 中的加筋板可能产生较大的不能恢复的挠度变形。该变形发生后，板架 的极限承载能力有所降低，造成船体总纵抗弯能力降低。 1 3 本文的目的及主要工作 目前，我国沿海航行货船，普遍船龄较长，结构形式陈旧，所用材料尺寸也 与当前趋势有较大差别，用目前的经验校核方法往往不能真实反映船舶的受力状 况。沿海货船往往由于船舶尺度较小，营运时强度问题得不到充分的重视，有些 船舶不具备完整的强度核算资料，仅仅靠经验做法进行货物的配载和装卸，很可 能导致因强度受损而引起的船舶事故。本文主要考虑此类船舶的总纵强度校核方 法，即剪力和弯矩的计算与核查，对船龄、腐蚀等因素不作论述。譬： 本文对总纵强度校核的原理和方法做了细致的研究，对于缺失强度核算资料 的船舶，提出了实用计算时的一些近似简化方法，利用船舶邦戎曲线等资料，编 制总纵强度校核资料，并举例对此方法的可行性作了初步论证。对于具备一定强 度资料的船舶，由于没有装载仪，计算较为复杂，寻找一种简化计算的方法非常 有必要。本文主要研究利用简单的e x c e l ，通过给出的强度核算资料，由船舶基 本参数快速核算船舶总纵强度的设计和实现方法。这一结果简单实用，在实践中 有较高的使用价值。 本文的主要研究工作是，根据船舶邦戎曲线与空船重量分布等资料，计算各 吃水下计算面间的浮力和空船重量，求出载荷大小；继而对所得载荷进行积分， 求出各吃水下所求典型剖面处的浮力和浮力矩( 包含空船重量) 并进行吃水修正 和纵倾修正。将修正后的数据加以整理，形成总纵强度核算资料。另外，还针对 总纵强度计算过程，利用e x c e l 设计了一套可实现计算机自动核算的程序，提高了 总纵强度核算的效率。 第2 章总纵强度分析核算 第2 章总纵强度分析与核算 2 1 总纵强度概述 2 1 1 船舶总纵强度的基本概念 船舶是一种由板材和骨架构成的浮动建筑物，在船体总纵强度计算中，通常 将船体理想化为一变断面且两端自由支持的空心薄壁梁，简称船体梁。 船舶总纵强度( l o n g i t u d i n a ls t r e n g t ho f s h i p ) 是指在外力作用下整个船体梁所 具有的抵御纵向变形或破坏( 包括纵向弯曲、剪切和扭转) 的能力。 2 1 2 船舶纵向变形的原因分析 作用在船体上的外力，包括重力、浮力、惯性力、阻力、推力、转舵力、波 浪拍击力等。船舶在波浪上航行时，作用在船体结构上的外力是非常复杂的。实 践证明，重力和浮力是引起船体梁总纵弯曲的主要外力。哺3 全船总的重力与浮力大小相等、方向相反，并且作用在同一条铅垂线上，是 一对平衡力，全船处于静力平衡状态。但对于沿船长的任一区段来说，他们是不 平衡的，必定产生彼此间的上下错动趋势，如图2 。1 所示。旧1 而实际上船体是一个 整体性结构，各段之间的上下移动必然受到限制，从而使船舶的纵向构件承受相 应的剪切应力。由于这种重力与浮力沿着船长方向分布不均，在船体结构内部产 生内力并使船体发生纵向弯曲变形。 图2 1 船舶纵向变形示意图 f i g u r e2 1d e f o r m a t i o no fs h i pl o n g i t u d i n a ld i a g r a m 6 基于沿海货船的总纵强度研究 2 2 总纵强度的核算原理 2 2 1 理论上剪力和弯矩的计算原理 由以上可知，总纵强度计算的核心问题是核算船舶的内部应力是否超过船体 构件的承受能力。内部应力产生的原因是重力与浮力相差形成的载荷作用，而具 体体现在船舶剖面所受的剪力和弯矩的大小，因此总纵强度核算需要从不同装载 情况下重力和浮力的分布特点为基准，利用船舶型线图、空船及备件重量分布、 静水力等资料，计算出船舶横舱壁等典型剖面处的剪力和弯矩大小，从而检验其 与规范的规定是否相符合。 本文采用船尾坐标系计算，如图2 2 ，假定重力沿船长的分布为p ( x ) ，浮力沿 船长的分布为b ( x ) ，则它们的差值就是引起船体梁总纵弯曲的载荷q ( x ) ，即 g ( x ) = p ( x ) - b ( x )( 2 1 ) 利用梁的理论，作用在船体梁横剖面上的剪力和弯矩为： x 2i g x 出 ( 2 2 ) 【m ( x ) = r ( x ) d x = rr g ( x ) d x d x 一 即载荷曲线的一次积分曲线为剪力曲线( s h e a rf o r c ec u r v e ) 载荷曲线的二次积分曲线为弯矩曲线( b e n d i n gm o m e n tc u r v e ) n 0 第2 章总纵强度分析核算 o1234567891 01 11 21 31 41 51 61 71 81 9 扣 o s f 、一 一 一 图2 2 剪力弯矩曲线 f i g u r e2 2s h e a ra n dm o m e mc u r v e 载荷、剪力和弯矩的符号规定：载荷q ( x ) 以向下为正；剪力( x ) 以作用在梁 微段左剖面上向下为正( 或右剖面上向上为正) ；弯矩m ( x ) 则以使船体梁发生中 部向上拱起，首、尾两端向下垂的弯曲为正( 这种弯曲状态通常称为“中拱”；反之， 船中部下垂，首、尾两端向上翘起的弯曲状态称为“中垂”) 。如图2 3 所示。 口j r 围t 船首船尾 口( 围) 图2 3 中垂中拱符号规定 f i g u r e2 3s i g n r e q u i r e m e n t so fs a g g i n ga n dh o g g i n g 为了计算作用在船体梁上的剪力和弯矩，必须首先计算重力和浮力沿船长的 分布。对某一计算状态来说，重量沿船长的分布状况是不变的；而船舶在波浪中 基于沿海货船的总纵强度研究 的浮力沿船长的分布乩( x ) 可视为船舶在静水中的浮力分布吃( x ) 和由于波浪而产 生的附加浮力分布6 6 ( 曲之和，即 6 。( x ) = 吃( x ) + 艿6 ( x ) ( 2 3 ) 因此，利用梁的理论，作用在船体梁上的载荷、剪力和弯矩分别为： g ( 曲= p ( x ) - k ( 功= 【p ( x ) 一玩( x ) 】+ 一8 b ( x ) 】( 2 4 ) ( x ) = r g ( x ) 出 = r 【p ( x ) 一b ，( x ) 】出+ r 卜占6 ( x ) 出 ( 2 5 ) 2 只( x ) + 凡( x ) m ( x ) = r ( x ) a x = r 。( x ) 出+ n w ( x ) d x ( 2 6 ) = m 。( x ) + m w ( x ) 式中： 以( x ) 静水剪力，。( x ) = j ：【p ( x ) - b ，( x ) 出 必( x ) 静水弯矩，m ，( x ) = e 。( x ) d x 虬( x ) 波浪附加剪力，n i ( x ) = r 一艿6 ( x ) c t x 眠( x ) 拔浪附加弯矩，m w ( x ) =n ( x ) d x 波浪附加剪力、波浪附加弯矩完全是由波浪产生的附加浮力( 相对于静水状 态的浮力增量) 引起的，简称波浪剪力和波浪弯矩。应该注意的是，静水浮力主 要取决于船体浸入水中部分的形状，是一个确定性的静态量，可由静水平衡计算 求得；而波浪附加浮力则主要是动态的、随机的，其计算理论相当复杂。传统的 方法，都是将船舶静置于标准波浪上求取波浪附加浮力的，即假想船舶以波速在 波浪的传播方向上航行，此时船与波的相对速度为零。这样，求得的波浪附加浮 力是静态的，其对应的波浪附加剪力和波浪附加弯矩分别称为静波浪剪力和静波 第2 章总纵强度分析核算 浪弯矩。当所有船舶都在同一计算原理的基准上进行比较时，该方法在一定范围 内仍然是适用的，即对动波浪弯矩仍可在形式上保留静置计算法。 综上所述，理论上按如下步骤计算船体梁所受到的剪力和弯矩： 计算重量分布曲线p ( x ) ； 计算静水浮力曲线b ( x ) ； 计算静水载荷曲线q ( x ) ： g ，( x ) = p ( x ) 一吃( x )( 2 7 ) 计算静水剪力及弯矩： 虬( x ) 2 上q , ( x ) d x ( 2 8 ) m ( 功= n , ( x ) d x ( 2 9 ) 计算静波浪剪力及弯矩： w ( x ) 2j ：卜6 b ( x ) d x ( 2 1 0 ) m w ( x ) 2 上n w ( x ) d x ( 2 1 1 ) 计算总纵剪力和弯矩： n ( x ) = m ( x ) + 0 ( x ) m ( 功= 必( x ) + 坂( x ) 2 2 2 实算剪力和弯矩时采用的方法 ( 2 1 2 ) ( 2 。1 3 ) 1 静水剪力及弯矩的实算分析 实船营运时，不同运输航次的重量分布有较大差别，即使是同一航次，由于 油水消耗、压载水注入和排放等载重的增减移动，重量分布曲线随之改变；同时， 载重的变化也将引起船舶吃水和纵倾的变化，从而使浮力曲线发生相应的变化。 如果每次核算船舶总纵强度，都按以上2 2 1 的理论方法，重新绘制重量曲线和浮 力曲线，求出载荷g ( 功并积分计算剪力和弯矩，过程将非常繁杂，重复工作也较 多。 由于空船重量及其备件、船员行李及备品等固定储备的重量分布基本不变， 基于沿海货船的总纵强度研究 浮力分布仅受船舶吃水与纵倾的影响，可由静水力资料和邦戎曲线图求出各给定 载重水线下的浮力资料，将其与固定重量分布相叠加，得出考虑固定载重条件下 自船尾起向首计至各典型剖面处( 如横舱壁) 的浮力和浮力矩值，汇总成总纵强 度核算资料( 通常以二维表格形式表示) ，实用时插值求取并加以纵倾修正。 在计算静水剪力及弯矩时，根据某一工况下的可变重量分布，列表求出自船 尾起向首( 或船首起向尾，本章以船尾起叙述) 计至某站面的重量和重量矩之和 ( 除空船等固定重量外) ，通过总纵强度核算资料，插值查算出该工况下自船尾 起向首计至此站面处的浮力和浮力矩，从而求出该站面处的剪力和弯矩值。u u u 副 因此可以总结出，实算某一工况下船舶具体剖面所受到的静水剪力和静水弯 矩可按如下方法计算： 札( x ) = e w 一以 心( x ) = 2 m a t ； 式中：形自船尾至计算点的载重的累积 ：自船尾至计算点的浮力和空船等固定重量的累积 2 m 自船尾至计算点的重量矩的累积 m ：自船尾至计算点的浮力矩的累积 ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) 2 静波浪剪力和弯矩的实算分析 由于波浪的随机性，很难确定波浪浮力分布曲线，所以各船级社在理论分析 和大量统计的基准上，给出了波浪剪力和波浪弯矩的简化计算公式。本文以中国 船级社( c o s ) 发布的钢质海船入级与建造规范为计算依据。 综上所述，实算时可按如下步骤计算船舶所受到的剪力和弯矩： 由船舶资料计算所求剖面处的以和耽，对典型剖面，可成型为资料供查 用； 列表计算所求剖面处的e w 和2 m ； 通过船舶强度核算资料，计算静水剪力及弯矩： 按钢质海船入级与建造规范要求，计算静波浪剪力n ，( x ) 及静波浪弯 矩m w ( x ) ： 第2 章总纵强度分析核算 计算总纵剪力和弯矩： n ( x ) = m ( 石) + w ( 功 m ( x ) = 帜( x ) + 坂( x ) 2 3 剪力和弯矩的详算步骤 2 3 1 计算以和m ； ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) 1 计算重量分布曲线p ( x ) 的原理 重量曲线描述船舶在某一计算状态下，全船重量沿船长的分布状况，其纵坐 标表示船体梁单位尺度上重量分布值，即作用于单位长度上的重力。 绘制重量曲线时，必须要有表明各项重量及其重心位置的重量、重心明细表， 以及确定各项重量纵向分布范围的船体纵中剖面图，简称重量重心资料。 绘制重量曲线的方法，是将船舶的各项重量按静力等效原则分布在相应的船 长范围内，再逐项迭加即可得重量曲线。u 副在手工计算中，通常将船舶重量按2 0 个理论站站距分布每个理论站距内的重量可以认为均匀分布，从而作出阶梯形重 量曲线，并以此来代替真实的重量分布曲线。 在船体详细的结构设计大体完成之后，可沿船长选取若干个横剖面，计算其 单位长度的重量，从而可得到较为精确的船体结构的重量分布曲线。再将船舶某 一装载状态下各项重量分布的纵坐标值相加，便得到船舶在该工况下总的重量曲 线，实际重量分布计算通常采用表格形式进行。u 刨 2 计算静水浮力曲线6 ( x ) 的原理 浮力曲线描述船舶在某一装载情况下，浮力沿船长分布状况。浮力曲线的纵 坐标表示作用在船体梁上单位长度的浮力值，曲线与纵向坐标轴所围的面积等于 作用在船体上的浮力，该面积的形心纵向坐标即为浮心的纵向位置。u 驯浮力曲线 通常由邦戎曲线求得，求取方法如图2 4 所示。 基于沿海货船的总纵强度研究 唾 ， p而f 弋b ，f s 警l o f - 瓯丫鞋、9妊嘻 ，l 、 l； 一 o24 681 01 21 41 61 82 0 图2 4 按邦戎曲线图确定浮力曲线的方法 f i g u r e2 4m e t h o do fc r e a t i n gb u o y a n c yc u r v ea c c o r d i n gt ob o n j e a nc u r v e 由图可知，任意纵向坐标( i ，j ) 间的船体段浮力e 。，为： e ，= p g ( f t + 巧) 要 ( 2 1 6 ) 式中：万z 纵向坐标( ，j ) 间的距离，m e ，e 纵向坐标f ，j f 处的浸水面积，m 2 根据邦戎曲线求各剖面处的浸水面积f ，e ，首先须确定船舶的吃水线。为 此应进行静水平衡计算，以确定船舶在静水中的首、尾吃水。计算时，可应用下 述逐步近似方法，此时应具有邦戎曲线、静水力曲线及船舶的重量重心等资料。1 6 1 首先根据给定计算状态的船舶排水量从静水力曲线图上查得以下数据：平 均吃水丸，浮心距船中的距离讫，漂心距船中的距离x ，每厘米纵倾力矩m t c ， 每厘米吃水吨数t p c 。 若浮心与重心的纵向坐标之差不超过船长的0 0 5 o 1 ，则可认为船舶 己处于静力平衡状态。否则须进行纵倾调整，调整方法如下： 第2 章总纵强度分析核算 如= 叱州一斧嘉 九= 厶州+ 砻瓮斋 比= 厶一( 仉5 + 专) 蒜 ( 2 1 8 ) 首、尾吃水确定以后，利用邦戎曲线求出对应于该水线时的浮力分布，同时 计算出总浮力e 及浮心纵向坐标的第一次近似计算值。若求得的这两个数值不 满足下述精度要求时，则应作第二次近似计算。 ( o 1 o 5 ) l 等卜叭叭， 第二次近似计算可按下式确定新的首、尾吃水： d p ，= d 立)全堕二型+丝竺fl+(05- v v d i 砟2 = 毒赫+ 而丽 = c l a l - ( o 5 毫) a ( x g x b l ) 1 0 0 m 呵c1 0 0 t p c ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) 在手工计算时，静水平衡计算通常采用表格方式进行。当静水平衡计算完成 后，浮力曲线即可作出。n 7 3 3 计算 名和蟛 由上述原理和方法，根据空船等重量资料求出其自船尾至典型剖面处的重量 彬和船舶各理论站间空船重量彬，；根据邦戎曲线图求出正浮时船舶在各吃水条 件下，自船尾至典型剖面处的浮力e ( 含空船重量5 ，并对其进行不同吃水的插 值修正和纵倾修正。1 以第六站为例简述剖面处纵倾修正的方法，如图2 5 所示。 基量翌塑堡塑箜璺墼堡鏖婴窒 一 根据船舶的纵倾值，在邦戎曲线图上作出此时的水线l 三- ，此水线时第6 站 剖面处的浸水面积为f ，求取其与该剖面处正浮时的浸水面积f 的差值艿f ，对 原浮力分布曲线按万f 进行修正，如图2 6 所示。 w l w 图2 5 邦戎曲线的纵倾修正 f i g u r e2 5t r i ma m e n d m e n t o fb o n j e a nc u r v e 0 24 6 8 x 图2 6 浮力曲线的纵倾修正 f i g u r e2 6t r i ma m e n d m e n t o fb u o y a n c yc u r v e 同理可修正其他剖面。按修正后的浮力曲线6 7 ( x ) ，按下式计算选定纵向坐标 ( f ，j f ) 间( 如各理论站间) 的船体段浮力耳，： ，耳。j = p g ( f + 乃7 ) 譬 ( 2 2 3 ) 对以上所求各理论站间的船体段浮力耳，累积至船体各典型剖面处，即得其 第2 章总纵强度分析核算 剖面处的浮力e 。 根据船舶各理论站间空船重量形7 j 和各理论站间的船体浮力耳。，求出各理 论站距间的载荷“，( 功= 耳，一形，然后对g ；。，( x ) 沿船长计算二次积分，即得 各剖面处的m ：。 2 3 2 计算所求剖面处的形和e m 根据船舶装载方案，计算出自船尾至典型剖面处的重量和重量矩( 对船中弯 矩进行修正) ，本计算通常列表计算。 2 3 3 计算静水剪力及弯矩 根据以上2 2 2 所述原理，某一载况下船舶典型剖面处所受的实际静水剪力和 静水弯矩，按以下公式计算： m ( 功= 一孵 ( 2 2 4 ) m ( x ) = 肘一嵋 ( 2 2 5 ) 2 3 4 按钢质海船入级与建造规范要求计算静波浪剪力n w ( x ) 及静波浪弯矩 m w ( x ) 1 计算静波浪剪力和波浪弯矩的原理 船舶由静水进入波浪时，重量曲线p ( x ) 并未改变，但水线面发生了变化，从 而导致浮力的重新分布。波浪下浮力曲线相对静水状态的浮力增量是引起静波浪 剪力和弯矩的载荷。由此可知，静波浪弯矩与船型、波浪要素以及船舶与波浪的 相对位置有关。9 1 传统的标准计算方法如下： 将船舶静置于波浪上，即假想船舶以波速在波浪的传播方向上航行，船舶 与波浪处于相对静止状态； 以二维坦谷波作为标准波形，计算波长等于船长，计算波高按有关规范或 强度标准选取； 取波峰位于船中及波谷位于船中两种状态分别进行计算。 基于沿海货船的总纵强度研究 n w ( x ) = e 卜万6 ( x ) l a x ( 2 2 6 ) 式中：5 b ( x ) 是船舶在波浪中的浮力曲线相对于平静水面的变化量，如图2 7 所示： 应按下式计算8 b ( x ) ： 8 b ( x ) = b w ( x ) 一6 ，( x ) = p g s f ( x ) ( 2 2 7 ) 式中： b w ( x ) 船舶在波浪中的浮力曲线； b 。( x ) 一船舶在静水中的浮力由线。 b ( x ) 仁 忒 图2 7 ( 1 ) 浮力曲线的波浪修正 f i g u r e2 7 ( 1 ) w a v er e v i s e do fb u o y a n c yc u r v e x 跏【x ) 图2 7 ( 2 ) 浮力曲线的波浪修正 f i g u r e2 7 ( 1 ) w a v er e v i s e do fb u o y a n c yc u r v e 6 f ( x ) 为船舶在波浪中各理论站横剖面的浸水面积相对于静水中的变化量， 如图2 8 所示。 第2 章总纵强度分析核算 图2 8 邦戎曲线的波浪修正 f i g u r e2 8w a v er e v i s e do f b o n j e a nc u r v e 应按下式计算6 f ( x ) ： 8 f ( x ) = 乒乙( x ) 一只( x )( 2 2 8 ) 式中： 只( x ) 船舶在静水中各理论站横剖面的浸水面积； e ( x ) 船舶在波浪中各理论站横剖面的浸水面积。 波浪弯矩按下式计算。 m 坩( x ) 2 上n w ( x ) d x ( 2 2 9 ) 2 简析影响波浪剪力和弯矩的其他因素 船舶由静水进入波浪，其浮态会发生变化。当船中位于波谷时，由于船体 中部较两端丰满，所以船舶在此位置时的浮力要比在静水中小，因而不能处于平 衡，船舶有一定的下沉量；而当船中在波峰时，一般船舶要上浮一些。另外，由 于船体首、尾线型