第07章 船舶强度

1、海上货物运输海上货物运输 第七章第七章 船舶强度船舶强度 （Strength of ship） 第一节第一节 保证船舶总纵强度保证船舶总纵强度 第二节第二节 保证船舶局部强度保证船舶局部强度 一、船体强度的一、船体强度的分类分类 二、总纵弯曲产生的二、总纵弯曲产生的原因原因 三、总纵剪力和弯矩的三、总纵剪力和弯矩的计算计算 四、总纵弯矩的四、总纵弯矩的估算估算 五、总纵强度的五、总纵强度的校核校核 六、影响总纵弯曲的六、影响总纵弯曲的因素因素 1、强度、强度定义定义 船体结构受船体结构受内、外力作用内、外力作用时，船体抵抗时，船体抵抗 发生变形或破坏的能力。发生变形或破坏的能力。 2、强度、强

2、度分类分类 强度强度 总强度总强度 局部强度局部强度 纵强度纵强度 横强度横强度 扭转强度扭转强度 船体结构承受的内、外力船体结构承受的内、外力 l内力：局部力 l外力：重力、浮力、惯性力、波浪作用 力、墩木的反作用力、拖带力。 船体强度的分类船体强度的分类 l1）总纵强度：）总纵强度： 船舶抵抗纵向变形和破坏的能力。船舶抵抗纵向变形和破坏的能力。 l2）横向强度：）横向强度： 船舶抵抗横向变形和破坏的能力。船舶抵抗横向变形和破坏的能力。 l3）扭转强度扭转强度： 船舶抵抗扭转变形和破坏的能力。船舶抵抗扭转变形和破坏的能力。 l4）局部强度：）局部强度： 船舶抵抗局部变形和破坏的能力。船舶抵抗

3、局部变形和破坏的能力。 3）扭转强度（）扭转强度（Torsional strength） 定义定义 船舶结构抵抗船体沿船长方向发生扭转变形的船舶结构抵抗船体沿船长方向发生扭转变形的 能力。能力。 产生原因产生原因 沿船长方向单位长度重力和浮力横向不共垂线沿船长方向单位长度重力和浮力横向不共垂线 造成的。造成的。 具有甲板大开口船舶应校核其总纵扭转强度。具有甲板大开口船舶应校核其总纵扭转强度。 如如等。等。 15:408 二、二、总纵弯曲产生的原因总纵弯曲产生的原因 1、总纵、总纵弯曲变形弯曲变形 2、船体纵向弯曲或变形的、船体纵向弯曲或变形的原因原因 3、弯曲力矩弯曲力矩及及弯曲应力弯曲应力

4、4、剪切力剪切力及及剪切应力剪切应力 中垂变形中垂变形(sagging) 中拱变形中拱变形(hogging) 船体变形船体变形 船体受负弯矩作用，中部的浮力小船体受负弯矩作用，中部的浮力小 于重力，首尾部的浮力大于重力；于重力，首尾部的浮力大于重力； 船舶上甲板受压，船底受拉，发生船舶上甲板受压，船底受拉，发生 中部下垂的变形。中部下垂的变形。 船体受正弯矩作用，中部的浮力船体受正弯矩作用，中部的浮力 大于重力，首尾部的浮力小于重力；大于重力，首尾部的浮力小于重力； 船舶上甲板受拉，船底受压，发生船舶上甲板受拉，船底受压，发生 中部上拱的变形。中部上拱的变形。 l利用吃水判定船舶的拱垂利用吃水

5、判定船舶的拱垂 利用吃水判定船舶的拱垂利用吃水判定船舶的拱垂 dM dM：中垂变形：中垂变形 dM dM：中拱变形：中拱变形 dM dM：无拱垂变形：无拱垂变形 M dd )dd( 2 1 d AFM 首尾平均吃水：首尾平均吃水： 拱垂判定：拱垂判定： 拱垂值拱垂值： 12 3 4 567 原因：船舶所受重力和浮力沿船长方原因：船舶所受重力和浮力沿船长方 向分布不一致造成。向分布不一致造成。 3、船体弯矩和弯曲应力、船体弯矩和弯曲应力 弯曲力矩：弯曲力矩： 单位长度的船体，前后两端受到大小相等，方向相反单位长度的船体，前后两端受到大小相等，方向相反 的弯矩作用，则该段船体将发生弯曲变形。的弯矩

6、作用，则该段船体将发生弯曲变形。 船体结构的弯曲应力船体结构的弯曲应力 弯曲力矩的大小：弯曲力矩的大小： x M 中和轴中和轴x D A B 纵向结构件：纵向结构件：外板、甲板板、纵骨、纵珩外板、甲板板、纵骨、纵珩 最大弯曲应力：最大弯曲应力： d x max W M 弯曲应力最弯曲应力最大大值在距离中和轴最值在距离中和轴最远远处的龙骨板或上甲板处。处的龙骨板或上甲板处。 中和轴中和轴x D A B 弯曲应力：弯曲应力： A x A w M 任意横剖面处的纵向连续构件将承受拉（压）力作任意横剖面处的纵向连续构件将承受拉（压）力作 用，单位面积所受的拉（压）力为弯曲应力。用，单位面积所受的拉（压

7、）力为弯曲应力。 弯曲应力计算弯曲应力计算 W：剖面模数剖面模数 弯曲应力大小分布：弯曲应力大小分布： 中和轴中和轴处为处为0 中和轴：中和轴： 通过剖面通过剖面几何形心几何形心且平行于基平面的轴线。且平行于基平面的轴线。 是船体梁在弯曲过程中各个剖面转动的轴线是船体梁在弯曲过程中各个剖面转动的轴线, 特点：中和轴处特点：中和轴处不不承受压承受压/拉应力。拉应力。 S dsz Z NA 中和轴中和轴x D A B zNA 位置：位置： d x d Z I w dszI 2 A A A z I w 剖面面积对中和轴的面积惯矩剖面面积对中和轴的面积惯矩 剖面模数剖面模数 最大剖面模数：最大剖面模数

8、：W 中和轴中和轴x D A B 船底剖面模数：船底剖面模数： 甲板剖面模数：甲板剖面模数： b x b Z I w l它是表征船体结构抵抗弯曲变形能力的一种几何特性，它是表征船体结构抵抗弯曲变形能力的一种几何特性， 也是衡量船体总纵强度的一个重要标志也是衡量船体总纵强度的一个重要标志 l船体参加总纵弯曲的结构船体参加总纵弯曲的结构 件的数目和尺寸决定。件的数目和尺寸决定。 任意横剖面处的纵向连续构件将承受剪切力，单位任意横剖面处的纵向连续构件将承受剪切力，单位 面积所受的剪切力为剪切应力。剪切应力最大值出面积所受的剪切力为剪切应力。剪切应力最大值出 现在中和轴处。现在中和轴处。 W1 W1

9、Nx 剪切力：剪切力： 剪切变形：剪切变形： 剪切应力剪切应力： 单位长度的船体，其前后两端受到大小相等、方向单位长度的船体，其前后两端受到大小相等、方向 相反的切力作用，则该段船体将出现剪切变形。相反的切力作用，则该段船体将出现剪切变形。 Nx bI SN 中和轴中和轴x D A B A A Z Zx bI SN 其中：其中：N总纵剪力总纵剪力 I面积惯矩面积惯矩 bZA高度处水平线上构件厚度的总和高度处水平线上构件厚度的总和 S 剖面上或下边缘与剖面上或下边缘与ZA高度线之间所围面积高度线之间所围面积 对中和轴的面积静矩对中和轴的面积静矩 总纵剪应力：总纵剪应力： 最大剪应力？最大剪应力？

10、 0 0 Z Zx max bI SN 在中和轴处在中和轴处 三、总纵剪力和弯矩的计算三、总纵剪力和弯矩的计算 3、负荷曲线（、负荷曲线（Load curve） 5、弯矩曲线（、弯矩曲线（Bending moment curve） 4、剪力曲线（、剪力曲线（Shear curve） 1、重量曲线、重量曲线（Weight curve） )x( W 2、浮力曲线（、浮力曲线（Buoyancy curve） )x( )x()x()x( Wq x 0 )x()x( dxqN x 0 x 0 )x( x 0 )x()x( dxqdxNM 示例示例 实例实例 总纵剪力和弯矩的计算总纵剪力和弯矩的计算 示例

11、示例 )x( W1、 )x( 2 、 )x()x()x( Wq3 、 x 0 )x()x( dxqN4、 x 0 x 0 )x( x 0 )x()x( dxq dxNM5、 结论结论 x 0 )x()x( dxqN x 0 )x()x( dxNM 总纵剪力和弯矩的计算总纵剪力和弯矩的计算 实例实例 5t5t d X X OBACD OBACD OB A CD 0.5t/m 1t/m 1.5t/m 2.5t -2.5t 12.5t.m -0.5t/m 0.5t/m )x( W )x( )x()x()x( Wq m20L , t10W0 结论结论 剪力最大值剪力最大值Nmax： 弯矩最大值弯矩最大

12、值Mmax ： X OB A CD 2.5t -2.5t 12.5t.m 0.5t/m 位于距位于距首尾首尾L/4剖面剖面的的中和轴中和轴处；处； 位于位于船中剖面船中剖面的的上甲板上甲板处。处。 位于距位于距首尾首尾L/4的剖面处；的剖面处； 位于位于船中剖面船中剖面处。处。 剪应力最大值剪应力最大值max： 弯曲应力最大值弯曲应力最大值max ： 四、船中静水弯矩估算四、船中静水弯矩估算 AAFF bAgAbFgF xxW81. 9xxW81. 9M 1、基本估算式：、基本估算式： 总纵弯曲的原因？总纵弯曲的原因？最大弯矩的位置？最大弯矩的位置？ ii xxp81. 9 2 1 M pi

13、WF WA A F BA BF GFGA x xi i 五、船舶总纵强度校核五、船舶总纵强度校核 1、弯曲应力和切应力弯曲应力和切应力法法 3、百分比校核百分比校核法法 4、强度曲线图强度曲线图法法 5、船舶吃水校核船舶吃水校核法法 1、弯曲应力和切应力法、弯曲应力和切应力法 max max 材料的材料的许用弯曲应力许用弯曲应力 材料的许用剪切应力材料的许用剪切应力 计算的最大弯曲应力：计算的最大弯曲应力： 计算的最大剪切应力：计算的最大剪切应力： 其中：其中： 材料的许用弯曲应力材料的许用弯曲应力 1、船用钢材、船用钢材： 一般强度钢一般强度钢 伸缩率：伸缩率： 高强度钢高强度钢 伸缩率：伸

14、缩率： Pa1081. 9)5341( 6 b Pa1081. 9)6652(),6350(),6045( 6 b %22 %20%22或或 2、影响许用弯曲应力的因素、影响许用弯曲应力的因素： 材料的力学性能；海波与标准计算波高的差异；刚才腐材料的力学性能；海波与标准计算波高的差异；刚才腐 耗和船舶使用年限；船底和甲板尚需计及局部结构强度耗和船舶使用年限；船底和甲板尚需计及局部结构强度 的影响；结构的稳定性；的影响；结构的稳定性； 3、许用弯曲应力大小：、许用弯曲应力大小： Pa1081. 9)74 . 6 （ 平平水水 Pa1081.984.17 波波 2、许用弯矩、许用弯矩/剪切力法剪切

15、力法 MM max W M M许用弯矩许用弯矩 由于由于 若若 WM 则：则： l由于由于 l若若 0 0 S bI Nl则：则： A A Z Zx bI SN lN许用弯矩许用弯矩 NN max 3、百分比校核法、百分比校核法 目前的装载计算机对船舶总纵强度的校目前的装载计算机对船舶总纵强度的校 核多采用此方核多采用此方 法。法。 一般分港内和海上两种状态校核。一般分港内和海上两种状态校核。 ii xM 81.9 2 Mxp Wpi MM max 1 M xp W pi i %100) M x100 ( 100 p W p ii Mxxp81. 9 2 1 M ii pi W p M x10

16、0 i 分数系数：分数系数： 许用弯矩校核：许用弯矩校核： 船中弯矩估算：船中弯矩估算： （1）绘制原理）绘制原理 4、强度曲线图法、强度曲线图法 （2）曲线图曲线图的的使用使用 MM max ppip MxpM i 因为：因为： 所以：所以： 载重弯矩：载重弯矩： 许用载重弯矩：许用载重弯矩： MLCxpxWLkW 2 1 81. 9M i pimhh xWLkWLCM 81. 9 2 xp mhhpi i xWLkWLCM 81. 9 2 M mhhp 强强 度度 曲曲 线线 图图 曲线图的曲线图的使用使用 l曲线图的构成曲线图的构成 纵坐标：载荷对船中力矩的绝对值之和。纵坐标：载荷对船中

17、力矩的绝对值之和。 横坐标：平均型吃水。横坐标：平均型吃水。 i pip xpM 强度曲线的使用强度曲线的使用 l点划线点划线 l虚线虚线 l实线实线 l点划线和虚线之间：有利范围点划线和虚线之间：有利范围 l虚线和实线之间：允许范围虚线和实线之间：允许范围 l实线之外：危险范围实线之外：危险范围 l点划线左上方：中拱范围点划线左上方：中拱范围 l点划线右下方：中垂范围点划线右下方：中垂范围 （1）适用条件）适用条件 船长小于船长小于90m或者装或者装 载均匀，不需要校核载均匀，不需要校核 静水切力时，可以使静水切力时，可以使 用该法。用该法。 （2） 使用方法：使用方法： 纵坐标：载荷对船中

18、力纵坐标：载荷对船中力 矩的绝对值之和。矩的绝对值之和。 横坐标：平均型吃水。横坐标：平均型吃水。 （3）区域划分：）区域划分： 1200 LBP 800 L 1200 L BPBP 600 L 800 L BPBP 600 LBP 600 LBP 1200 LBP 800 LBP 0 有利范围）有利范围） 正常范围）正常范围） 极限范围）极限范围） 危险范围危险范围 有利拱垂范围：有利拱垂范围： 正常拱垂范围：正常拱垂范围： 极限拱垂范围：极限拱垂范围： 危险拱垂范围：危险拱垂范围： M dd 拱垂值拱垂值： 注意注意 船舶处于有利和正常拱垂范围：船舶处于有利和正常拱垂范围： 船舶处于极限拱

19、垂范围：船舶处于极限拱垂范围： 船舶处于危险拱垂范围：船舶处于危险拱垂范围： 注意注意 可以可以开航；开航； 只能只能好天气开航；好天气开航； 不能不能开航。开航。 0 有利范围）有利范围） 正常范围）正常范围） 极限范围）极限范围） 危险范围危险范围 600 LBP 1200 LBP 800 LBP 六、影响船舶拱垂变形的因素六、影响船舶拱垂变形的因素 l1、重力分布对拱垂变形的影响：、重力分布对拱垂变形的影响： （1）船舶布置船舶布置 （2）积载方案积载方案 l2、浮力分布对拱垂变形的影响：、浮力分布对拱垂变形的影响： （1）船舶形状）船舶形状 （2）船舶与波浪的）船舶与波浪的相对位置相对

20、位置 l3、船体、船体有效有效构件的尺寸、材料及分布构件的尺寸、材料及分布 （1）船舶布置对总纵强度的力影响）船舶布置对总纵强度的力影响 a、不同机舱位置的普通货船的弯矩特性曲线、不同机舱位置的普通货船的弯矩特性曲线 b、不同机舱位置的普通货船的弯矩、不同机舱位置的普通货船的弯矩比较比较 b、不同机舱位置的普通货船的弯矩比较、不同机舱位置的普通货船的弯矩比较 满载满载状态下三种类型船舶所受的弯矩比较状态下三种类型船舶所受的弯矩比较 尾机船尾机船中后机船中后机船中机船中机船 尾机船尾机船中后机船中后机船中机船中机船 空载空载状态下三种类型船舶所受的弯矩比较状态下三种类型船舶所受的弯矩比较 中后机

21、中后机船空载状态与满载状态的弯矩比较船空载状态与满载状态的弯矩比较 空载状态空载状态满载状态满载状态 （2）积载方案对总纵强度的影响）积载方案对总纵强度的影响 a、经验法（舱容比配货法）、经验法（舱容比配货法） Q V V P chi chi i . . %)(101 iiii PPPP 舱别舱别NO.1NO.2NO.3NO.4NO.5Total 货舱容积货舱容积3075411942105719396721090 舱容比舱容比14.5819.5319.9627.1218.81100 Pi1955261926763636252213408 调整值调整值196262268364252 上下限上下限

22、 范围范围 2151 1759 2881 2357 2944 2408 4000 3272 2774 2270 b、隔舱装载：、隔舱装载： 应用应用：提高总纵强度的方法：提高总纵强度的方法 提高总纵强度方法提高总纵强度方法 （1）中拱状态：）中拱状态： 中机船满载状态中机船满载状态 尾机船压载状态尾机船压载状态 中后机船压载状态中后机船压载状态 合理分配载重，提高船舶总纵强度：合理分配载重，提高船舶总纵强度： 货物配置：按舱容比分配货物，在舱容允许的条件下，货物配置：按舱容比分配货物，在舱容允许的条件下， 中区货舱应按装货重量的上限值装，首尾货舱按下限值中区货舱应按装货重量的上限值装，首尾货舱

23、按下限值 装；中途港货物不应过分集中于中区货舱。装；中途港货物不应过分集中于中区货舱。 油水分配及使用：油水应自中区向首尾装载；使用时应油水分配及使用：油水应自中区向首尾装载；使用时应 自首尾向中区。自首尾向中区。 正确使用位于中区的深舱和冷藏舱：不应空舱。正确使用位于中区的深舱和冷藏舱：不应空舱。 （2）中垂状态：反之）中垂状态：反之 （2）波浪对总纵弯曲的影响）波浪对总纵弯曲的影响 a、船舶中垂，、船舶中垂， 波谷位于船中，波谷位于船中， 危险。危险。 W X W X b、船舶中拱，、船舶中拱， 波波 峰位于船中，峰位于船中， 危险危险 波长等于船长，波长等于船长， 20 1 Hm120L

24、时，波高时，波高 m2 30 1 Hm120L 时，波高时，波高 l船舶与波浪的相对位置关系：船舶与波浪的相对位置关系： l标准波：标准波： 甲板剖面模数的腐蚀修正甲板剖面模数的腐蚀修正 甲板剖面模数每年平均扣除腐甲板剖面模数每年平均扣除腐 蚀量约为蚀量约为0.40.6。 nww ddn （1） 近似公式计算法近似公式计算法 中和轴中和轴x D A B （2） 经验法：经验法： l使用年限小于使用年限小于5年的船舶取下限，年的船舶取下限， l使用年限使用年限10年以上的船舶取上限。年以上的船舶取上限。 （3） 腐蚀腐蚀极限极限： （3）腐蚀极限）腐蚀极限 船长大于或等于船长大于或等于60m的远

25、洋的远洋干散货船干散货船， 船长大于或等于船长大于或等于90m的远洋的远洋液体货船液体货船，在，在 船中船中40L区间强力甲板的剖面模数应满足：区间强力甲板的剖面模数应满足： ddn w80. 0w 无限航区（无限航区（类航区）：类航区）： 近海航区（近海航区（ 类航区）：类航区）： 沿海航区（沿海航区（ 类航区）：类航区）： ddn w90. 0w ddn w84. 0w 第二节第二节 保证船舶局部强度保证船舶局部强度 一、定义一、定义 l船舶结构抵抗船体局部发生变形或破坏的能力。船舶结构抵抗船体局部发生变形或破坏的能力。 l船舶局部结构抵抗内外力作用的能力。船舶局部结构抵抗内外力作用的能力

26、。 二、核算部位二、核算部位 l舱口盖、上甲板、中间甲板、底舱底板、平台。舱口盖、上甲板、中间甲板、底舱底板、平台。 三、核算三、核算指标指标及核算及核算方法方法 四、四、实际负荷量实际负荷量的计算的计算 五、五、允许负荷量允许负荷量的确定的确定 六、保证局部强度不受损伤的六、保证局部强度不受损伤的措施措施 三、负荷量的表示及校核方法三、负荷量的表示及校核方法 载箱部位上作用在箱底座处的集装箱载箱部位上作用在箱底座处的集装箱 总重量（总重量（kN）。）。 校核方法校核方法 l均布载荷均布载荷pd： l集中载荷集中载荷P： l车辆载荷车辆载荷Pv ： l堆积负荷堆积负荷Pc ： 单位面积允许承受

27、的最大重量（单位面积允许承受的最大重量（kPa）。）。 某一较小特定面积上允许承受某一较小特定面积上允许承受 的最大重量（的最大重量（kN）。）。 载车部位允许承受的以特定车轮数目载车部位允许承受的以特定车轮数目 为前提的车辆及所载货物的总重量为前提的车辆及所载货物的总重量 （kN）。）。 cc PP 甲板甲板实际实际负荷量负荷量 甲板甲板允许允许负荷量负荷量 局部强度的校核方法局部强度的校核方法 l均布载荷均布载荷pd： l集中载荷集中载荷P： l车辆载荷车辆载荷Pv ： l堆积负荷堆积负荷Pc ： dd pp PP vv PP 原则：原则： 四、实际负荷量的计算四、实际负荷量的计算 （2）集中载荷：（）集中载荷：（Concentrated load） S P 81.9p d i i d .F.S h 81.9p n W 81. 9P ic P81. 9P （1）均布载荷（）均布载荷（Even distributed load） （3）集装箱载荷：（）集装箱载荷：（Container load） 五、允许负荷量的确定五、允许负荷量的确定 1、查取局部强度计算书、查取局部强度计算