集美大学-船舶结构力学(48学时)第一章-绪论(2014年)

船舶结构力学

StructuralMechanicsofShip

是船舶结构设计、制造的理论依据。船舶结构力学的三个基本命题：

1、环境与载荷（外部作用）；

2、结构响应分析（静力分析、稳定性分析和动力响应分析）；

3、危险状态、强度衡准及强度储备。船舶结构力学还包括以下内容：1、疲劳与断裂分析（在周期性交变载荷作用下船体材料和结构的承载能力)；2、造船材料要求与船体金属耗量的优化分析；3、工艺力学；4、船体结构强度分析的一些特殊力学问题。（船舶进坞及下水强度、温度对船体结构的作用及船舶抗冰强度）教学目的：

1、通过本课程的学习，使学生掌握船舶结构力学的基本理论与方法；2、力求培养学生船舶结构分析与计算等方面的能力；3、培养学生自学和独立思考能力，以便在走上工作岗位后，能通过自学不断地吸收新知识，开拓新领域，研究新问题，探求新的机理，充分发挥自己的才能。本课程特点：

1、本课程不但理论概念性比较强，而且方法技巧性要求高。理论概念需要通过练习来加深理解，方法技巧则需要通过做题来熟练掌握。2、课程前面的内容是后面内容的基础，相互间关系密切（如单跨梁弯曲理论是力法的基础，在位移法中要使用力法的成果，而位移法又是矩阵法的理论基础等等）。必须切实掌握前面的基础知识，才能学好后面的内容。

教学要求：

1、掌握单跨梁的弯曲理论（初参数法、单跨梁力法等)；2、掌握结构力学的经典方法—力法、位移法、能量法及矩阵法（杆系有限元法）；3、了解杆件的扭转理论；4、了解稳定性理论。

学习方法：

1、认真做好课堂笔记;2、要熟记解题要点和步骤;3、多做计算题;

4、重视基本概念的理解与掌握；

做题（主要是计算题）的重要性：

做题是对原理和方法的应用，通过解题可以加深对原理和方法的理解。解题的过程对学生的分析能力、表达能力、运算能力和校核能力都可以得到训练和提高。

本课程与“电算”

(用计算机进行结构分析计算)的关系：

科学技术的飞速发展，特别是电子计算技术的迅猛发展及其在船舶科技领域的广泛应用，极大地改观了传统的船舶结构设计分析理念，涌现出许多新的船舶设计方法。1、“电算”并不排斥结构力学的基本理论，而是需要更加重视基本概念、基本理论和基本方法的学习；2、能量法、矩阵法和有限元法是“电算”的基础。教学重点：单跨梁的弯曲理论、力法、位移法、能量法、矩阵法。教学难点：能量法、矩阵法（杆系有限元法）。第一章绪论第二章单跨梁弯曲理论第三章力法第四章位移法第五章矩阵法（杆系有限元法）第六章能量法第七章稳定性理论第八章杆件的扭转理论参考教材及参考文献：[1]舒恒煜、谭林森.船舶结构力学.武汉：华中科技大学出版社，1992年5月第一版[2]陈铁云、陈伯真.船舶结构力学.上海：上海交通大学出版社，1991年7月第一版参考书目：[3]陈伯真、阮先政.船舶结构力学习题集.上海：上海交通大学出版社，1994年7月第一版；[4]李人宪.有限元法基础.北京：国防工业出版社，2006年2月（第二版）考核方法：本课程为考试课（闭卷），期末试卷占学生总成绩的70%，平时成绩占30%。平时成绩主要根据上课讨论发言情况、课堂练习表现、单元测验、平时作业质量来评定。第一章绪论§1-1

船舶结构力学的内容与任务一.基本概念1、结构：一种由单元构件组合并具有支承能力的物体，它能承受载荷，也能传递载荷。2、结构力学：描述和预测结构体系力学性能的基础知识。3、船舶结构力学：研究在给定的外载荷下如何确定船体结构中的内力与变形（包括研究受压构件的稳定性）。是研究船体结构静力响应的一门课程船舶结构力学的首要任务：

阐明结构力学的基本原理与方法。即阐明经典的力法、位移法及能量原理，然后应用它们解决船舶结构力学所要研究的问题。

船舶结构力学的其他任务：

阐明有限元法的基本原理及其在船体结构计算中的应用，即阐明矩阵法（杆系有限元法）及平面应力问题的有限元法等。4、船体梁：把船整体当作一根梁（空心变截面梁）静置于静水中或波浪上，以研究船体总纵强度等。5、船体总纵强度（总强度）：将船视为船体梁来研究船在纵向分布的重力与浮力作用下的弯曲变形与应力等强度问题。思考：静水、波浪、中拱、中垂。（参考图1-1、图片等）中拱、中垂？中拱、中垂？中拱、中垂？载荷曲线有物误否？6、船体局部强度：船体的横向构件以及局部构件抵抗局部载荷直接作用而不产生破坏和超过允许限度的变形的能力。横向构件：横梁、肋骨、肋板等。局部构件：船底板、底纵桁等。7、稳定性：船在总纵弯曲时船体受压的构件（主要是中垂状态时的上层甲板）常常会因为受压过度而发生变形，称其为丧失稳定性。8、船体扭转强度：当船舶在斜浪上航行，整个船体将发生扭转，船舶抵抗发生过大扭转变形或受到破坏的能力。9、应力集中：在船体结构不连续的地方，发生应力汇集或突然增大的现象，将引起构件裂缝形成或蔓延。（参见图1-6及图片）注：(1)船舶强度（或船体强度）是泛指研究船体结构强度的科学，它包括外力、结构在外力作用下的反应即内力研究和许用应力的确定等一系列的问题。(2)船舶结构力学则专指研究船体结构的内力的问题，不研究外力及许用应力等方面的问题。船体强度计算则涉及外力（外载荷）及许用应力等方面的问题。二、学习“船舶结构力学”的意义：1、虽然当前船舶结构设计大都依照“船舶建造规范”来进行，但船舶结构力学仍是结构设计的基础。“规范”中不少规定仍来源于结构力学的基本理论。2、目前“规范”越来越多地有用结构力学理论来表达的趋势。掌握船舶结构力学会对规范有更深的理解。3、设计建造无规范可依据的船舶，在结构设计时需用船舶结构力学的知识。4、本科后续课程《船体强度和结构设计》、《船体振动学》的基础。5、船舶与海洋工程专业研究生入学考试需要。6、硕研课程《船舶结构动力学》、《船舶结构有限元》的基础。7、船舶结构力学的基本原理和方法具有一定的普遍意义。

容易过渡到一般工程结构的计算，因为原理相同。一、传统的方法：1、将船体的总强度问题与横向强度或局部强度问题分开考虑，必要时再把它们的结果叠加起来。§1-2船舶结构力学的研究方法2、在横向强度或局部强度问题中，常把空间结构拆成平面结构（板架）来考虑。3、在计算中把组成船体结构的骨架和板分开考虑，将船体板认为是支持在骨架上的板，计算骨架时，骨架应带有“附连翼板”或称带板。

船体中的骨架受力变形时，和骨架相连的那一部分板始终会与骨架一起变形，不可分割。在研究骨架时应把与骨架相连的一部分板连同骨架一起考虑。

带板：与骨架相连的那一部分板。带板宽度：骨架间距与骨架跨度的1/5中小者。（参见图1-5）二、当前方法：1、可以将总强度问题与横向强度及局部强度问题一起考虑，即在确定了船体整个受力情况的前提下，可将船体各组成结构中的应力与变形一起计算出来。2、完全可以计算空间结构，无须一定要将空间结构化为平面结构。3、可以不将骨架和板分开，而将骨架和板一起考虑。船体结构是由板和骨架等构件组成的空间复杂结构。一、定义：在进行船体结构计算之前将实际结构简化所得的计算图形。§1-3船体结构的计算模型计算模型力学模型计算图形

理想化图形简化图形简化模型二、建立计算模型要考虑的主要因素：

1、实际结构的受力特征；

2、构件之间的相互影响；

3、计算精度的要求；

4、所采用的计算方法。三、船体结构计算中的常见、典型的计算模型1、板的计算模型（矩形板）

1）板：是与船体的纵、横骨架相连接的且通常被纵、横骨架划分成许多矩形的板格。

2）板的计算模型矩形板：四周有纵横骨架支持的具有矩形周界的板格。例如：对于纵骨架式船体，其甲板板就被甲板纵桁、纵骨和横梁划分成许多矩形的板格（图1-4a)。（图1-4a)

若要确定甲板板在甲板载荷作用下所产生的应力与变形，则可把甲板板简化为四边刚性固定的矩形板，然后计算其在甲板载荷q作用下的弯曲应力和变形。其计算图形如图1-4b所示。图1-4b

若要研究船在中垂状态下纵骨架式甲板板的稳定性，则可以把甲板板简化为四边自由支持一对边受压的矩形板来计算（图1-4c）图1-4c

为了使甲板板的受压稳定性计算偏于安全，这里的简化采用了比较弱的边界条件，即忽略了纵、横骨架的抗扭刚度对板稳定性的有利影响。板上荷重分为两类：（参见下图）横荷重：垂直于板平面的荷重，如作用于板上的水压力；图1-4c中面荷重：位于板平面内的荷重，如在船体总弯曲时作用于船体甲板平面的应力。（参见图1-5）2、骨架的计算模型（连续梁、板架、刚架）就整个船体来说，船体的骨架系统是一个复杂的空间杆系结构。在实际计算时，尤其是采用经典方法计算时，常常把杆系简化成一些形状比较规则的简单的计算图形。1)杆件（杆）：细长的型钢或组合型材如横梁、肋骨、肋板、纵骨、纵桁等船体骨架。2)杆件系统（杆系）：相互连接的船体骨架系统。船体的杆系是一个复杂的空间系统。

简化后的典型杆系：连续梁；板架；刚架。3)连续梁（刚性支座上的连续梁）：两端以一定的形式固定，中间具有多个刚性支座，且在横向荷重作用下的直杆。（注：属多次静不定结构。）

以远洋干货船船体结构甲板部分（图1-7）为例介绍连续梁模型的建立：（参见图1-8）甲板纵骨

当计算甲板纵骨在垂直于甲板的载荷作用下的弯曲应力与变形时，可将其取为图1-6a所示的计算图形——两端刚性固定、中间自由支持在刚性支座上的连续梁。连续梁4)板架（交叉梁系）：外载荷垂直于杆系平面而发生弯曲的平面杆系。以远洋干货船船体结构甲板舱口部分（图1-7）为例介绍板架模型的建立：（参见图1-9）（图1-4a)

在计算舱口纵桁和舱口端横梁在垂直于甲板载荷作用下的弯曲应力和变形时，可将其取为图1-7a所示的井字型平面杆系计算图形，即板架。以远洋干货船船体结构舱底部分（图1-7）为例介绍船底板架模型的建立：（参见图1-11）主向梁、交叉构件板架（交叉梁系）：5)刚架：杆系中各杆的连接点是刚性的，并受到作用于杆系平面内的载荷作用。

以远洋干货船船体结构横向肋骨框架部分（图1-7）为例介绍刚架模型的建立：（参见图1-10）

处于船体横剖面内的横梁、肋骨及肋板。它们共同组成一个平面杆系，是保证船体横向强度的主要构件。图1-8a所示的为双甲板船在舱口处横剖面的肋骨框架计算图形：刚架的进一步简化：仅由横梁与肋骨组成的刚架（图1-8b）考虑到实际船体结构中肋板的尺寸远较肋骨的大，所以计算时可将肋骨下端作为刚性固定端。把肋板放到船底板架中去研究，而得。

注：以上介绍的矩形板、连续梁、板架和刚架是船体结构中比较典型而且比较简单的计算图形，应用结构力学中的经典理论和方法，由手算就能得到结果。但应注意到这些计算图形具有一定的近似性。四、空间结构及板梁组合结构

随着计算机的应用和发展，可采用更切合实际的计算模型，使结构计算更加精确可靠。1、空间结构计算模型举例：图1-9大舱口货船悬臂梁结构的计算模型。

该空间杆系计算模型放弃了以往模型中舱口纵桁刚性支撑悬臂梁的假定，更切合实际。可同时算出甲板纵桁、舱口纵桁、舱口端横梁、悬臂梁及肋骨的应力与变形。2、板梁组合结构计算模型举例：

对于甲板结构，不再人为地把骨架与板分开考虑。直接计算