船舶结构强度与结构设计

1、船舶强度与结构设计第四章 船体结构设计 本节内容船体结构设计概述1型材剖面设计2型材的稳定性计算3待定4Company Logo船体结构设计概述船舶设计过程合同设计，初步设计，详细设计，生产设计，完工设计。合同设计：谈判，初步的技术指标，船用途、主尺度、航速、主机、工期；初步设计：丰满合同设计的各项指标。具体表现：型线图，总布置图，外板展开图，以及一系列计算书（浮性、稳性，快速性，耐波性，安全性）详细设计：完善除生产过程外的所有准备技术工作。如：肋骨型线图，分段结构图。Company Logo船体结构设计概述完工设计：归档存档船舶主尺度、船体型线、船舶建筑形式、甲板层数、内底分布、舱壁位置，最

2、初确定的。结构设计的任务是在上面的基础上决定船体结构形式、构件尺寸和连接方法。成功的设计乃是合理地选择结构材料，保证结构具有必须的强度和刚性的情况下，使结构重量最轻。Company Logo船体结构设计概述规范设计法：简便，安全，不易反应具体船舶特点、新技术成果，适用于常规的民船直接规范设计和间接规范设计，前者根据船型、船籍和主尺度直接查规范确定结构形式和构件尺寸，后者是参考母型，取构件尺寸，根据规范修正尺寸大小。直接计算法：合理，可反映具体船舶特点，但计算工作量大，适用于军船，大新特民船（高附加值）Company Logo船体结构设计概述计算设计所谓计算设计，其实质就是依据作用在结构上的外力

3、，从强度和稳定性条件出发，选择适当的结构型式和构件尺寸。船体结构形式：船体是由板和型材组成的薄壁结构，即板架结构。根据位置和受力特点，认为分为船底板架、甲板板架、船侧板架和舱壁板架等。由于位置和受力的不同，采用不同的骨架型式。Company Logo船体结构设计概述一般，普通常规船上甲板和船底板架多采用纵骨架式，舷侧板架为横骨架式。这样的布置一方面总纵强度方面容易满足，另外，横骨架式对横向载荷的抵抗也增大，使局部强度容易满足，又不至于占据过大的舱容。特殊情况：干货船在下面两种情况下上甲板宜于采用横骨架式：Company Logo船体结构设计概述1.船长小于90100m时，不论船长L与型深D之比

4、的比值如何；在100130之间，L/D1.7时；2.当船长小于80100m，L/D小于12时，船底外板厚度不是由强度条件来决定的，而是取决于锈蚀磨耗的要求时；3.当船的中垂弯矩远大于中拱弯矩，即当 M中垂/M中拱1.52.0时4.船底易搁浅或者舱内用抓斗起货物而舱底又无护板时。Company Logo船体结构设计概述若船底板架为横骨架式，建议每档肋骨设实肋板，这样可以提高外底稳定性、局部强度和简化工艺。船侧板架由舱壁间距、甲板和舱底间的距离而定。军船舷侧靠近甲板和船底多采用纵骨架式，其他采用横骨架式。船端多采用横骨架式，但是由于横骨架式和纵骨架式在过渡衔接的问题，目前也有纵骨架式存在。Comp

5、any Logo船体结构设计概述船体钢料选择：高强度钢问题。目前船体构件选择主要考虑两方面：强度和稳定性。强度方面主要借助的材料特性是屈服极限，而稳定性方面的标准时临界应力。选择钢料要根据具体情况而定。在结构设计时，我们希望选择的钢料能使船体结构最轻。Company Logo型材剖面设计型材剖面利用系数和比面积船体结构中的型材球扁钢，T型材，扁钢，角钢衡量型材剖面利用率的指标1.对型材剖面设计的要求 （1）构成剖面的各个部分应该具有足够的强度、刚度和稳定性；（2）应该满足生产与工艺的要求，制造简单（3）剖面内材料的分布合理，材料利用率高。 衡量剖面内材料利用率的指标：剖面利用系数和比面积。Co

6、mpany Logo型材剖面设计理想剖面：两个离中和轴距离相等、面积各为0.5 F的翼板组成的剖面称为理 想剖面。 理想剖面的剖面模数为 理想剖面形式Company Logo型材剖面设计实际型材的最小剖面模数，小于理想剖面的剖面模数，因为，在同等面积下，平行于中和轴是所有情况中惯性矩最大的情况。即 Company Logo型材剖面设计W1-实际型材剖面的最小剖面模数； -剖面利用系数，其反映剖面中材料的分布的合理程度，剖面利用系数越大，则剖面材料的利用越接近理想剖面。 利用剖面利用系数时,同一类型材的剖面利用系数才可以比较,例如不同型号的角钢可以比较剖面利用系数,而角钢和钢管的剖面利用系数不可

7、以比较。所以剖面利用系数不能反映所有构件不同剖面形状材料的利用率。Company Logo型材剖面设计剖面模数比面积：F-型材剖面积；W-包括带板在内的型材的剖面模数。Cw小，表明利用较少的材料，获得了较大的剖面模数，所以剖面材料的利用率越高，显然Cw越小越有利。惯性矩比面积：Company Logo型材剖面设计I包括带板在内的剖面惯性矩，Ci小，表明利用较少的材料，获得了较大的惯性矩，所以剖面材料的利用率越高，显然Ci越小越有利。Company Logo型材剖面设计型材的强度要求与剖面要素强度要求：（1）弯曲强度要求；（2）剪切强度要求型材剖面模数与惯性矩的计算f1 -小翼板面积； f2 -

8、大翼板面积；f-腹板面积;h-腹板高度,t-腹板厚度。 中和轴距离基线h1：Company Logo型材剖面设计Company Logo型材剖面设计剖面对中和轴的惯性矩对小翼板的最小剖面模数Company Logo型材剖面设计最小剖面模数改写为K=36Company Logo型材剖面设计参数h、f1、f2对于剖面最小剖面模数的影响：（1）剖面高度h不变，增加大翼板f2的面积，可减小K值，使W1增大，但是由于K的取值范围变化较小。所以加大大翼板面积，W1增加缓慢；（2）增加小翼板面积f1,可使W1较大增加，比增加f2面积有效；（3）增加腹板高度h，W1增加最快，是提高剖面模数的最有效的方法。Co

9、mpany Logo型材剖面设计腹板的相当面积和剪切稳定性腹板承受剖面上的大部分剪力。剖面剪力为N，假定腹板承受全部剪力N，而且剪应力沿高度方向均匀分布，任意高度处的剪应力均为最大剪应力，则有：-称为腹板的相当剪切面积。Company Logo型材剖面设计由于所以将I及Smax计算式代入上式，可得Company Logo型材剖面设计大翼板f2为船体板的一部分，其为常量。调整小翼板和腹板面积比值时，可得相当腹板剪切面积的变化的范围为 Company Logo型材剖面设计腹板的剪切强度要求相当腹板剪切面积平均值：满足腹板剪切强度要求腹板的面积应该为：Company Logo型材剖面设计抗弯强度与抗

10、剪强度关系要求梁具有相同的剪切强度和弯曲强度，则由于材料的许用剪切应力为剪切和弯曲强度相同的条件为：Company Logo型材剖面设计型材的稳定性计算型材的局部稳定性 1、翼板的稳定性 力学模型：三边自由支持，一边自由翼板2、腹板的稳定性 四边自由支持，四边承受剪应力和长边承受弯曲正应力。Company Logo型材剖面设计引用俄罗斯巴波考维奇的成果，计算临界应力。（1） 仅承受线性分布的弯曲正应力时，临界应力为Company Logo型材剖面设计（2）如果弯曲正应力等于零，则 临界剪切应力为Company Logo型材剖面设计（3）如果腹板同时承受弯曲正应力和剪切应力，则板的失稳条件为为最

11、大压应力。将弯曲和剪切临界应力公式分别代入上式，得Company Logo型材剖面设计或者整理得到：m-腹板高度与厚度得比值。比值 m大，不利于稳定，减小m值，稳定性增加。 Company Logo型材剖面设计 强度与稳定性的矛盾要求：（1）保持腹板面积不变，减小板厚，增加腹板高度，抗弯惯性矩增加，有利于强度；（2）保持腹板面积不变，增加板厚，减小腹板高度，抗弯惯性矩减小，不利于强度，但是腹板的m值减小，有利于腹板的稳定性。（3）为了兼顾强度和稳定性，必须选取合适的m 值，船舶工程中，一般取m=70100。Company Logo型材剖面设计型材整体的稳定性1、型材总稳定性问题的提出 仓壁扶强

12、材等一类构件承受水压力,在压力较小时，构件的弯曲在腹板的平面内发生，当压力载荷增加到超过一定数值时，构件向腹板平面外发生弯曲，即侧向弯曲，也称为侧向失稳。侧向失稳属于型材总稳定性问题，如果型材总稳定性不足，则会导致结构的整体破坏，例如整个仓壁发生破坏。 型材侧向失稳如下图所示。Company Logo型材剖面设计图 构件侧向失稳Company Logo型材剖面设计2、型材总稳定性临界压力集度的确定 型材总稳定性的分析模型为：仓壁板对扶强材提供抗转约束，扶强材端部的 约束取为自由支持。 图 承受水压的扶强材Company Logo型材剖面设计水压的最大集度为 。研究在图示水压力作用下，型材的总体稳定性。采用如下的分析模型，计算最大临界压力集度。Company Logo型材剖面设计图 扶强材剖面及约束表示单位宽度舱壁板对于扶强材的抗转约束Company Logo型材剖面设计扶强材扶强材扶强材M=12b图中，梁为单位宽度的板条梁；b-扶强材间距。求出单位力矩作用下板条梁的转角 ，则抗扭刚度为扶强材的临界压力集度 可查表确定。Company Logo型材剖面设计图 临界压力集度系数表Company Logo型材剖面设计3、型材总稳定性的初次校核 影响型材总稳定性的因素有：腹板高度、型材跨度、小翼板宽度等。增加小翼板宽度，可提高型材总稳定性。