船体部强度计算[上课教学]

1、船体强度与结构设计船体强度与结构设计 天津大学建筑工程学院船舶工程系天津大学建筑工程学院船舶工程系 1教学类别 第三章第三章 船体结构局部强度计算船体结构局部强度计算 局部强度：指局部结构抵抗局部载荷而不破坏的能力。局部强度：指局部结构抵抗局部载荷而不破坏的能力。 局部载荷：仓室货物、甲板上浪、设备重量及设备运转载荷，舷外水压力等。局部载荷：仓室货物、甲板上浪、设备重量及设备运转载荷，舷外水压力等。 局部结构：甲板板架、船底板架、肋骨框架、仓壁结构、板格、纵骨、横梁局部结构：甲板板架、船底板架、肋骨框架、仓壁结构、板格、纵骨、横梁 等。等。 本章介绍船舶局部强度计算的有关内容本章介绍船舶局部强

2、度计算的有关内容: :(1)(1)建立模型建立模型;(2);(2)载荷计算载荷计算;(3);(3) 简化计算方法简化计算方法;(4);(4)有限单元法问题。有限单元法问题。 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 力学模型：力学模型：反映结构的实际反映结构的实际受力特点受力特点和和变形特征变形特征而又便于计算的简化的结构而又便于计算的简化的结构 系统，称为力学模型或计算模型。系统，称为力学模型或计算模型。 3.1.13.1.1建立力学模型的原则建立力学模型的原则 2教学类别 （1 1）计算方法）计算方法 手工计算：则模型应该简化较大；手工计算：则模型应该简化较大； 计算机

3、求解：则可取复杂的计算模型计算机求解：则可取复杂的计算模型 （2 2）结构的重要性）结构的重要性 破坏后果严重的船舶，直接或间接损失大的船舶，则应考虑较复破坏后果严重的船舶，直接或间接损失大的船舶，则应考虑较复 杂的计算模型；杂的计算模型； （3 3）设计阶段）设计阶段 方案设计阶段：技术资料不全，则模型可取简单；在详细设计阶段，应方案设计阶段：技术资料不全，则模型可取简单；在详细设计阶段，应 该取复杂的计算模型，尽量反映结构的实际。该取复杂的计算模型，尽量反映结构的实际。 3.1.23.1.2力学模型尺寸的确定力学模型尺寸的确定 1 1、板架模型尺寸：纵向取横仓壁之间的距离，宽度方向取两舷、

4、板架模型尺寸：纵向取横仓壁之间的距离，宽度方向取两舷肋骨中和轴肋骨中和轴 与横向构件中和轴的交点。与横向构件中和轴的交点。 3教学类别 图、图、 横向框架确定横向框架确定 2 2、肋骨框架尺寸、肋骨框架尺寸 模型尺寸的起始位置：取肋板中和轴与肋骨中和轴的交点，甲板取肋骨中和模型尺寸的起始位置：取肋板中和轴与肋骨中和轴的交点，甲板取肋骨中和 轴与横梁中和轴的交点。轴与横梁中和轴的交点。 4教学类别 3.1.3 3.1.3 结构边界约束条件结构边界约束条件 1、常见支座形式的表示方法 （1）自由支持支座： （2）刚性固定： （3）弹性支座： （4）弹性固定支座： （5）滑动支座： 5教学类别 2

5、2、局部结构支座的确定、局部结构支座的确定 （1 1）纵骨边界条件）纵骨边界条件 图、船底纵骨强度计算模型图、船底纵骨强度计算模型 边界条件：单跨纵骨两端刚性固定。边界条件：单跨纵骨两端刚性固定。 6教学类别 甲板纵骨稳定性计算边界约束：甲板纵骨稳定性计算边界约束： 图、图、 甲板纵骨变形及约束条件甲板纵骨变形及约束条件 边界条件边界条件: :稳定性分析时两端自由支持。稳定性分析时两端自由支持。 7教学类别 （2）舷侧肋骨上下约束条件 图、图、 舷侧肋骨变形及约束条件舷侧肋骨变形及约束条件 两端简支梁,端部2施加单位力矩时,引起的端部2转角为: EI l 3 l EI k 3 抗转刚度为 EI

6、 l 3 8教学类别 无甲板载荷，无载荷跨简化为受载荷结构的约束。甲板横梁给肋骨提供 弹性抗转约束,抗转刚度系数为 抗转刚度为： l EI k 3 （3）多跨梁：无载荷跨转化为受载跨的约束 l EI l I 单位长度的惯性矩,称为线刚度。 线刚度 9教学类别 图、 多跨梁简化图 （4）板架边界条件 多跨梁：无载荷跨转化为受载跨的约束 10教学类别 1）仓壁处：一般为刚性固定 2）舷侧：自由支持 （5）板架构件之间的相互支持关系： 交叉构件与主向梁 ，I ，i 假定交叉构件（长构件）支持主向梁，单位面积载荷为q。k 点的位移为 R R k k 交叉构件 l L 主向梁 11教学类别 Ei Rl

7、Ei lQ y 48384 5 33 1 1 短梁中点k : 2 1 L qlQ 短梁支持载荷 长梁中点k ： EI RL EI LQ y 48384 5 33 2 2 2 2 l qLQ 长梁支持载荷： 则 21 yy 1 1 16 5 qlLR支反力R为： iL Il 3 3 12教学类别 iL Il 3 3 0R 长梁支持短梁 0R 短梁支持长梁 当 max RR, qlLRR 16 5 lim max 长梁支持短梁的最大支持力： 因为支持关系由 决定，调整比值 ，可以改变支持关系。相互支持 条件为 1 1 3 3 iL Il 13教学类别 交叉构件的计算模型为： 3.1.4结构模型化的

8、处理 （1）利用对称性 （2）等效刚度的利用 3.1.5 载荷模型 1、载荷的确定原则 （1）确定载荷的大小及性质：动力、静力、常规、偶然作用 （2）载荷作用在哪些构件上 （3）载荷的组合 横梁 纵桁 14教学类别 2、不同结构部位的载荷： （1）甲板载荷：甲板货物、甲板上浪 （2）仓内载荷：载货和船底水压力组合 （3）舷侧水压力：吃水加上半波高 2 B h dh d-吃水，hB-波高。 3、结构构件的几何抗弯特性计算：带板宽度 带板 带板 CCS关于带板面积规定： fbtA10 3/2 )/(3 . 0blf 纵骨： l：构件跨度，b:纵骨间距；肋板：构件跨度，b为肋距。 d 2/ B h

9、l 15教学类别 3.3.2甲板结构强度计算 载荷确定：规范中规定的计算压头 纵桁带板宽度：)6/,(lbMinbe p设计载荷，不小于8.5kPa 16教学类别 甲板构件计算。对于露天甲板，横梁剖面模数W按照下式计算 2 BshlW B船舶型宽；s横梁间距；h计算压头；l横梁跨度 。 1、具有舱口的甲板板架强度计算 横仓壁 舱口纵桁力学模型 舱口端梁力学模型： 1）纵桁处刚性固定：载荷对 称，结构对称，转角为零； 2）舷侧位移为零，转角不为 零。 3）承受载荷为来自纵桁的反 力R。 舱口纵桁力学模型： 1）横舱壁处刚性固定 2）舱口强横梁自由支持纵桁 3）承受均布载荷 图、仓口甲板结构 仓口

10、区强横梁 舱口短纵桁仓口纵桁 17教学类别 舱口纵桁载荷： 纵桁支撑宽度： hbBq)( 2 1 110 11 bB hbBq)2/( 2 1 111 （中纵剖面有半舱壁时） 舱口区强横梁计算模型：舱口区强横梁计算模型： 强横梁剖面，肋骨也为强肋骨，互相约束转角。故强横梁舷侧为弹 性固定约束，纵桁对其提供自由自持。 图、强横梁计算模型图、强横梁计算模型 k 18教学类别 3.43.4结构强度有限元计算结构强度有限元计算 3.4.1 3.4.1 计算原理计算原理 3.4.2 3.4.2 有限元计算奇异性处理有限元计算奇异性处理 刚度矩阵的奇异性：刚度矩阵的奇异性：指有限元计算时，由于单元的处理不

11、当或者边界约束处指有限元计算时，由于单元的处理不当或者边界约束处 理不合理，使结构总体刚度矩阵行列式的值为零，从而导致结构位移趋于无理不合理，使结构总体刚度矩阵行列式的值为零，从而导致结构位移趋于无 限大限大, ,引起计算失败。引起计算失败。 1 1、外部奇异性处理：排除刚体位移、外部奇异性处理：排除刚体位移 图、 矩形框接结构奇异性的解决方案问题 施加外部约 束 施加内部 约束 19教学类别 图、图、 共面节点共面节点 2 2、内部奇异性处理：局部奇异性处理、内部奇异性处理：局部奇异性处理 共面节点：当数个杆件在平面内一点相交时，称为共面节点。共面节点：当数个杆件在平面内一点相交时，称为共面

12、节点。 共面节点法向如果没有刚度贡献，则引起刚度矩阵的奇异性。共面节点法向如果没有刚度贡献，则引起刚度矩阵的奇异性。 A为共面节点 B节点法向没 有刚度贡献 20教学类别 3.5 实际工程算例 以沿海多用途甲板驳船为例介绍。 1、甲板板架强度计算 （1 1）计算方案）计算方案 甲板载荷：甲板载荷：5 5吨吨/ /每平方米每平方米 N o . 1 压载舱（右）N o . 2 压载舱N o . 3 压载舱 尾锚绞车舱（左） N o . 1 压载舱（左） 厨 房 1 4 . 4 m 2 淡水舱 尾锚绞车舱（右） 燃油舱 4 6 . 0 8 m 3 1 0 . 4 m 3 机 舱 污 油 水 舱 空

13、舱 2 3 m 3 餐厅 3 4 . 5 m 2 储物 1 4 . 4 m 2 1 2 m 2 TV 2 0 m 2 浴厕室 休息室 2 1 . 6 m 2 T V 值班室 焊接工作站管线张紧器 重力水柜 甲板室顶 B L 设计水线 会议室 储物间 充放电 淡水 重力水柜 淡水 重力水柜 海水 海水 N o . 4 压载舱（右）N o . 5 压载舱（右） 数量 审定 审核 校对 标记 标记 设绘 日期 签 字修改单号 描校 日期 首锚绞车舱（右） 标 记 天津大学建工学院船舶工程系 沿海多用途甲板驳船 总 布 置 图 共 T D 7 0 7 - 1 0 0 - 0 2 基 本 设 计 重 量

14、 页第页 比 例 N o . 6 压载舱（右） 空 舱 N o . 4 压载舱（左） 空 舱 N o . 5 压载舱（左） 舱 底 焊接工作站 空 舱 首锚绞车舱（左） N o . 6 压载舱（左） A / R 绞车 主 甲 板 设计吃水 总 长 水 线 长 设计水线 B L 主 要 量 度 2 . 8 0 米 6 9 . 6 0 米 6 9 . 6 0 米 梁 拱 型 深 型 宽 0 . 1 2 米 4 . 5 0 米 2 4 . 0 0 米 A 2 ，1 ：1 0 0 ，白：0 . 4 ，其他：0 . 1 5 甲板驳船 21教学类别 图、结构坐标系 （2 2）计算步骤）计算步骤 1 1）结构离散及载荷处理）结构离散及载荷处理 22教学类别 图、 甲板板架计算模型及结构离散 (3) (3) 计算结果及结论