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船舶结构力学 复习概要,一、应掌握的知识,1.单跨等直梁的计算 1.1 研究对象 1)普通梁；2)复杂弯曲梁；3)弹性基础梁 1.2 研究内容及解题要点 1)单跨等直梁的弯曲理论：要求在己知梁的尺寸、材料、载荷及边界条件下能求得梁的弯曲要素梁的挠度、转角、弯矩及切力；并由此计算出梁的变形与应力。,2)求解单跨梁弯曲要素的基本方法是弯曲微分方程式的积分法，即初参数法，实用方法是利用已知的梁的弯曲要素表和叠加法。 3)应用初参数法求解梁的弯曲问题时，可利用己导出的梁在一般荷重作用下、任意边界条件下的挠曲线方程式，再利用梁端的边界条件求出方程式中的未知常数(初参数)。因此，正确写出梁的边界条件是重要的。解题时应注意梁的坐标、荷重的位置与方向，还要能正确写出分布荷重的表达式。 对于静定梁或具有对称性的梁，可利用静力平衡方程式或对称条件求出某些未知初参数，常可使求解得到简化。,3)在应用梁的弯曲要素表解题时，应注意以下几点： (1)充分了解已有的弯曲要素表的种类、应用范围、坐标及符号法则。 (2)不同荷重作用下的弯曲要素可由各个荷重作用下的弯曲要素叠加得到叠加法。但对于复杂弯曲梁，只有在轴向力不变时才能用叠加法，对于弹性基础梁，只有在弹性基础刚度为常数时才可用叠加法。 (3)在画梁的弯矩图与切力图时，尽可能将梁化为两端自由支持的情形来做。叠加弯矩图与剪力图时，注意图形及符号，并尽量使最终的弯矩图与剪力图清楚、醒目。,(4)计算最终通常是要求出梁的应力，因此需要掌握梁的正应力与切应力的计算方法。 1.3 挠度、转角、切力、弯矩及应力的符号法则 在如图所示坐标系下 挠度v向下为正； 转角 顺时针方 向为正； 断面弯矩M左逆右顺为正； 断面切力N左下右上为正。 梁截面的正应力： ；切应力：,x,y,q(x),F,1.3梁的边界条件 1)弹性支座：横向弯曲 左断面 右断面 复杂弯曲 左断面 右断面 2)弹性固定端：横向弯曲 左断面 右断面 复杂弯曲，轴向拉力 轴向压力,例1.边界条件举例 1.4 思考题 1)为什么当单跨粱两端为自由支持与单跨梁两端为弹性支座支持时，在同样外荷重作用下两梁断面的弯矩和剪力都相等，而当梁两端是刚性固定与梁顶端为弹性固定时，在同样外荷重作用下两梁断面的弯矩和剪力都不同？,x,F,A,x,F,A,M,x,x,M,2) 为什么梁在横弯曲时，横荷重引起的弯曲要素可以用叠加法求出，而梁在复杂弯曲时，横荷重与轴向力的影响不可分开考虑? 3) 梁的边界条件与梁本身的计算长度、剖面几何要素、跨间荷重有没有关系?为什么? 4) 等直梁的复杂弯曲和弹性基础梁的弯曲在何条件下可采用叠加原理求解，为什么？,2.力法 1.内容与要点 2.1船体结构中弹性支座与弹性固定端的实际概念及柔性系数的计算。 2.2 本章所述力法以单跨梁建立的弯曲要素表和叠加原理为基础，通过以结构中某些特殊节点(如支座处、断面变化处、相交节点处)的节点力(或力矩)为基本未知数，以这些节点处的变形连续条件建立方程式，解出未知力，从而将复杂的杆系结构化为一根根在节点处相联系的单跨梁。因此力法在具体计算时，某对象仍为单跨梁。,2.3 对予在刚性支座上的连续梁及不可动节点简单刚架，建议将结构在支座或节点处拆为一段段两端自由支持的单跨梁加上未知弯矩，然后用转角连续条件求解。因此有几个未知弯矩必有几个相应的转角连续方程式即三弯矩方程式。 对于在弹性支座上的连续梁，还需在每一个弹性支座处列补充方程式，最后所得的转角连续方程式即为五弯矩方程式。,2.4 在板架(交叉梁系)计算中，将主问梁与交叉构件在节点处分开代以节点力，再用主向梁与交叉构件相交节点挠度相等的条件求解。对于船体板架，一般认为外荷重全部由主向梁承受。 一根交叉构件与多根同样主向梁组成的板架的解法是综合力法与弹性支座概念而形成的计算方法。计算时交叉构件化为弹性基础梁，弹性基础梁的荷重及弹性基础刚度与主向梁上的荷重形式、主向梁边界情况有关。求解弹性基础梁，即可通过其挠度(板架的节点挠度)求出节点力。,2.5 在连续梁与平面刚架结构中，如果与所研究的受载杆件有不受外载荷的杆或杆系与之相连，则总可以将不受载的杆及杆系化为受载杆的弹性固定端。方法是： (1)将受载杆与其相连的不受载杆或杆系在连接又座处分开，加上弯矩M，此弯矩亦可令其为1。 (2)计算不受载杆在M作用断面处的转角，此必然与M同方向，与M的比值就是所需的受载杆弹性固定端的柔性系数。,在板架或一般的交叉梁系结构中，原则上不受载杆对受载杆的支持可化为弹性支座，只要对不受载杆能写出在与受载杆桐交节点处节点力R与挠度v之间的正比关系，弹性支座的柔性系数v=AR，计算方法与步骤与上述弹性固定端的计算相同。,2.例：用力法求解图中之简单刚架，设各杆之长度均为l，断面惯性矩均为I，已知 ， 。 解：本例的刚架为二次静不定结构，现将节点3处的刚性固定约束去除，并在节点2处切开，加上未知弯矩M2与M3。原来作用于节点2上的外力矩M可考虑在杆l一2上亦可考虑在杆23上，今考虑在杆l一2上。于是得到两根单跨梁如图所示。,q,F,M,l/2,1,A,2,3,变形连续条件为节点2转角连续及节点3转 角为零，利用单跨梁的弯曲要素表，这两个 条件给出：,F,M,M2,A,v,1,2,q,M2,M3,2,3,(1) (2) 再列节点1弹性处支座的补充方程式： (3) 将式(3)代入式(1) 中，经整理后，式(1)与式(2)两式成为： (4) (5),将F、M、A代入式(4)、(5)得： 解上式得： 3.思考题 1) 何谓力法？怎样建立力法方程？ 2) 什么是力法的基本结构和基本未知量？基本结构与原结构村什么异同？力法正则方程式的物理意义是什么,3)当连续梁两端为弹性固定时，如何按变形连续条件建立该处的方程？ 4)力法可否用于计算不可动节点的复杂刚架,如可以，应如何做？ 5)在杆系结构中，可以把其中的一些杆件化为其他杆件的弹性支座或弹性固定端，其简化条件是什么？简化步骤如何？在简化时经常会用到哪几种类型公式？ 6) 刚架与板架的受力特征和变形特征有何区别？,3.位移法 3.1 主要内容与要点 1) 在船舶结构力学中，位移法的主要研究 对象为船体结构中的不可动节点复杂刚架，可动节点简单刚架及简单板架等。 2)由于位移法中所采用的杆端弯曲要素的符号法则与第二章单跨粱及第三章力法中不完全相同，因此首先要明确位移法中新的符号规定：杆件两端的弯矩与转角一律以顺时针方向为正；杆端的剪力与挠度要根据杆件的局部坐标来定，但两个端点处的剪力与挠度的正向相同。,3)位移法解杆系问题时，将各杆件视为两端刚性固定的单跨梁，然后强迫可以发生位移的支座或节点断面产生协调一致的变形，并要满足支座或节点处力的平衡条件。因此位移法的几何协调条件自行满足，联系位移与力的关系的物理条件是刚度系数，建立方程式组的条件是力的平衡条件，基本未知数是位移。 在进行上述计算时，要注意以下几点： (1)位移法之杆端弯矩为固端弯矩与杆端发生转角的弯矩之和，即 ；,(2)固端弯矩 可查两端刚性固定的单跨梁的弯曲要素表得到，但注意表中弯矩的符号规定与位移法不同。 (3)杆端因发生转角而产生的弯矩 ， 为： (4)在建立支座或节点的弯短平衡方程式队如果该节点上 有外加弯矩，则在平衡方程中应予计入。 (5)如果支座或节点k有弹性固定端(柔性系数为 )，则在该处建立弯矩平衡方程式时还应计及弹性固定端的弯矩 。,5) 用位移法解可动节点简单刚架及板架时，先分析结构中有几个节点或支座会发生转角及线位移(挠度)，并把它们作为未知量。然后对每一个发生转角的节点或支座处列弯矩平衡方程式，对每一个发生线位移的节点或支座处列剪力平衡方程式，因此未知数的数且与方程式的数目相同，问题可以解决。 在计算时，杆端总弯矩为固端弯矩与杆端发生转角及线位移时的弯矩之和： ；杆端剪力为固端剪力与杆端发生转角及线位移时的剪力之和： ；其中 计算公式见教材中公式(42)。,2.例题 图示刚架，己知 。试用位移法求解，并画弯矩图。,1,2,3,4,q,解： (1)将1、2、3节点加固成固定端，因此有三个未知数 。 (2)计算固端弯矩,1,2,3m,9m,2,4,(3)计算由转角 引起的杆端弯矩 (4)列节点平衡方程 节点1： 节点2： 节点3： 节点4：,(5)将各参数代入节点1、2、3的平衡方程式后得： 将上式经整理后得：,求解上式得： (6)回代求杆端弯矩： (7)画弯矩图,1,2,3,4,3.思考题 1)根据位移法的基本原理，试举例写出节点有集中力或集中弯矩的平衡方程式，列出弹性支座处或开口端为弹性固定端处的节点力平衡方程式。 2)与力法相比，位移法有何优点与缺点？ 3)在位移法计算中，刚架或连续梁的开口端是否一定要刚性固定住?如果不需要，试导出相应的由转角引起的杆端弯矩的关系式。,4.能量法 4.1主要内容及解题要点 1) 能量法是利用结构在外载荷作用下的功及应变能的概念解决计算问题的方法，它在结构分析中应用甚广，因此掌握能量法中的基本原理及解题方法十分重要。 在具体分析村，能量法常用来处理解析法不能适用的复杂结构问题。,2) 能量法的基本原理，包括虚位移原理及虚力原理。 虚位移原理等价于结构的平衡条件，因此基于虚位移原功方法是位移法。由虚位移原理可导出位能驻值原理，最小势能原理的计算公式。常用的计算方法是势能驻值原理的近似法，即里兹法。 虚应力原理等价于结构的变形协调条件，因此基于虚应力原理的方法是力法。由虚应力原理可导出余能驻值原理。常用的计算方法是最小功原理及卡氏第二定理。 要理解与上述原理有关的量：外力功、应变能、余功、余能，总势能、总余位能、力函数等的意义以及在不同应用中的表达形式，还要注意线性体系与非线性体系的差别。,3)里兹法求解梁的弯曲问题是重点；里兹法可用于求解任意结构形式的梁，如变断面梁，有弹性支座、弹性固定端或有弹性基础的，在任意载荷作用下的挠曲线。具体计算步骤如下： (1)建立梁的坐标系。 (2)将梁的挠曲线写成级数形式： ，式中 是满足梁端位移边界条件的基函数，是选定的，具体选取可参考教材表5.1选取，ai为待定系数。 (3)计算梁的应变能V，此应变能必须表达为v(x) 的函数。在一般情况下，梁的应变能包括：梁本身的弯曲应变能 ，如梁上弹性支座的应变能 及梁上弹性固定端的应变能 ；如果梁在axb中有刚度为k的弹性基础，则还要加上弹性基础的应变能 。,(4)计算梁的力函数时，它等于梁上外力与对应的位移的乘积之和。对于所取的v(x) ，计算时要注意外力的方向是否与位移方向一致。在一般情况下(参看附录附图1)，力函数为： (5)计算结构的总势能 ，并将对ai求偏导，得出n个联立方程式： 解之可得ai，代入v(x)的式中得梁的挠曲线，并可进一步求出梁的弯矩、剪力等弯曲要素。,2.例题：用里兹法求图中变断面梁的中点挠度。已知 。计算时试取挠曲线函数 。 解：经检查，挠曲函数 满足边界条件。 (1)计算应变能。此梁的应变能包括两部份，一是梁本身的弯曲应变能V1，二是弹性支座的应变能V2， 注意到梁是变断面 ,A,I,2I,将 及 代入可计算出 总应变能为： (2)计算力函数。此梁的力函数包括集中力F引起U1及分布荷重引起的U2两部分。 计算U2时，先写出分布荷重的表达式。对图示坐标有 因而,总的力函数为： (3)计算总势能 由 ，得 故梁的挠曲线为： 梁中点挠度为：,3.思考题 1)一梁上同时受到两个集中力时，应变能可否分别计算每一力作用时的应变能再相机为什么？一杆系结构承受拉(压)、弯曲、 剪切与扭转四种载荷时，应变能可否分别计算每一种载荷作用时的应变能再相加，为什么? 2)何谓应变能，何谓余能，有何区别？ 3)何谓体系总位能、力函数? 4)为什么里兹法的基函数只要求满足结构的位移边界条件？ 5)伽僚金法与里兹法的主要差别有哪些? 6)作为势能驻值原理的近似解法，里兹法和伽僚金法算出的结果是否总是近似解？,5.板的弯曲理论,1.研究内容及方法 1.1 本章研究船体结构中矩形薄平板的弯曲问题。要求在结定板的尺度、材料、边界条件及外荷重时能求出板的应力与变形。所用的方法有微分方程式的积分法、能量法。 作用于船体平板的荷重有两类，一是垂直于板平面的荷重(横荷重)，二是作用于板中面的荷里(中面荷重)。由于薄板的弯曲刚度很小，所以当板弯曲时因四周支座的约束作用也会产生中面拉力，这一特点应予以注意。,如果板上只受横荷重而无中面荷重或中面荷重很小而可以不计，则此种板称为刚性板。如果板上有横荷重又有中面荷重(外加的或因板弯曲引起的中面拉力)，则板处于复杂弯曲状态，此种板称为柔性板。 1.2 筒形弯曲是矩形板弯曲的一个特例。板发生筒形弯曲的条件是：(1)板的边长比大于2.5；(2)板的的荷重沿长边不变化，此时可在板的中部沿短边取出单位宽度的板条梁来研究，因此板的筒形弯曲问题实质上是梁的弯曲问题。,在具体计算时，用板的筒形刚度D来代替普通梁的弯曲刚EI，则梁的弯曲微分方程式及弯曲要素表的结果均可用于筒形弯曲中的板条梁。据此： (1)对于刚性板的横弯曲，可直接利用梁的弯曲要素表计算； (2)对于柔性板的复杂弯曲，即板上横荷重及外加中面力，可直接利用梁复杂弯曲的弯曲要素表计算； (3)当板有横荷重并因挠度较大( )而产生有中面拉力，先用附录B中的有关表格，根据参数u求出中面力的大小，再用梁复杂弯曲要素表求解。,1.3 刚性板的弯曲微分方程式是在直法线假定及不计板厚方向挤压力等的假定下导得的。该微分方程式的求解可用双三角级数法(适用于四边自由支持的板)或单三角级数法(适用于一对边自由支持的板)进行。计算中要用到板每一边两个边界条件，共8个条件。在写边界条件时注意全自由边上扭矩将化为一等效剪力来处理。 1.4 对于结构形式及荷重比较复杂的板，如非自由支持边界，板上受任意横荷重或板上有加强筋等情况，可用能量法(里兹法)来求解。先根据坐标选取一个满足板边位移条件的基函数，并将板的挠曲面写为：,再计算结构的应变能V 及力函数U。矩形板本身的弯曲应变能计算公式： 如果板上有加强筋，则应计入加强筋的弯曲应变能，如果板有弹性支座或弹性固定端，还应加上它们的应变能。所有这些应变能都应表达为w的函数。 板的力函数为板上外荷重与相应的同方向的位移的乘积之和，注意不同荷重(集中力、集中弯矩、分布荷重、分布弯矩)及其方向，并要能正确写出相应于这些荷重的位移表达式。,组成方程式： 解出 ，即可求得板的挠曲面函数 。 1.5 船体板中的甲板板、内底板及外底板均可视为由周刚性固定且受均布荷重的矩形板，因此熟悉这种板的应力计算公式是重要的。计算时要注意板上不同位置处(板边或跨中，上表面或下表面)的应力方向。 船体中的双层底可视为组合板(结构上的正交异性板)。,2. 主要公式 2.1 矩形板的筒形弯曲 横弯曲： 复杂弯曲： 大挠度弯曲： 2.2 矩形薄板的小挠度弯曲 静力平衡方程：,2.3 里兹法中常用的一些积分公式,3 示例：试用里兹法求图示的四边简支刚性板的挠曲函数。该板厚为t，弯曲刚度为D，在x处有一抗弯刚度为EI的加强筋，在A点作用一集中外力矩m。计算时级数取一项。,x,O,A,b,a,m,y,b,解：设板的挠曲函数为： (1) 整个板结构的弯曲应变能V为板本身的弯曲应变能及加强筋的弯曲应变能之和。因板四周为刚性支座，故 将式(1)代入上式积分后可得 加筋的弯曲变形能为,故板结构总的变形能为： 板上外力功为： 系统的总势能为：=V-W，根据最小势能原理 ，由此得 于是，可得该板的挠曲函数为：,4. 思考题 (1)何谓刚性板，何谓柔性板？ (2)刚性板弯曲的基本假定是什么7与梁弯曲时 的基本假定相比有何异同? (3)试述板弯曲问题的受力和变形特征，船体结构计算中哪些问题可化为板的弯曲问题求解? (4). 在什么条件下发生板的筒形弯曲，其受力和变形有何特征？板条梁与普通梁有何异同？ (5)船体板在筒形弯曲时如受有外加中面力，是否一定要考用中面力对板弯曲要素的影响7如果板边不可趋近是否一定要考虑大挠度弯曲产生的中面力对板弯曲要素的影响？,(6)板的边界条件与梁的边界条件写法有何异同？为什么在板的自由边缘要导出剪、扭合一的边界条件？ (7)刚性板弯曲的单三角级数解和双三角级数解有什么异同？ (8)船体板的弯曲一般为什么可以视为四周为刚性固定的刚性板？四周为刚性固定的矩形板可以用什么方法求解？精确性如何？,6.杆及板的稳定性 1.主要内容及要点 1.1 本章讨论船体结构中受压的杆、杆系(连续杆及甲板板架：及矩形平板的稳定性问题。由于结构失稳是一种破坏形式，因此结构稳定性问题的研究有重要的意义。 研究结构的稳定性问题是要求出结构的临界荷重。临界荷重取决于结构的形式、尺寸和材料，是结构的固有值。它反映了结核抵抗外压力的能力的大小。由于临界荷重是受压结构中性平衡弯曲状态的最小荷重，因此研究的方法有中性平衡微分方程式的积分法(解析法)及能量法两种。虽然从方法上来看与前述的弯曲问题没有差别，但因稳定性问题是一个求特征值的问题，因此同样力法得到的结果不同，应予以注意。,1. 2 用解析法求压杆的稳定性问题时，根据压杆中性平衡微分方程式的解及边界条件，求出最小的一个压力值，即为压杆的临界力。在这个解中，认为材料在弹性范围内，所以此临界力又称为欧拉力，其一般形式为 式中 为杆件之相当长度，与杆端的边界条件有关。 1. 3 能量法(里兹法)常用来分析变断面杆件或压力沿杆长变化等复杂情况的稳定性问题，其计算步骤与梁的弯曲问题相同，只需注意外力的功就等于力函数。计算时除正确选择基函数以外，对于变断面杆要注意应变能的计算，对于压力沿杆长变化的杆要注意力函数的计算。,由于所选择的中性平衡的挠曲线与真实的挠曲线有差别，因此用里兹法算出的欧拉力比正确的要大，误差偏于危险。但此种误差将随着基函数所取级数的项数增加而减少。 1.4 求解连续压杆的稳定性问题可用力法，即用力法来表达中性平衡弯曲状态，并导出稳定性方程式。本章着重讨论了等断面、等跨度、两端为自由支持、中间弹性支座为等刚度的受压杆的稳定性问题，结果表明临界力与弹性支座的刚度K直接有关，但当K大到一定数值Kcr时，中间弹性支座将不发生位移，此时临界力就等于两端自由支持单跨杆的临界力。 Kcr 称为弹性支座的临界刚度。,由于船体甲板板架的横梁可以化为纵骨的中间弹性支座，所以甲板板架的稳定性可化为弹性支座上连续压杆的稳定性问题。 连续压杆的非弹性稳定性问题同样可用切线控数理论用试算法进行。 1.5 矩形平板可在中面压力或剪力作用下失稳，求解时可用解析法或能量法。板的中性平衡微分方程式见公式为： 板在中面压力及剪力作用下弯曲的外力功即力函数公式为 船体板可视为四边自由支持在刚性支座上的单向受压板，因此可用三角级数法解中性平衡微分方程式求临界应力。计算结果表明纵骨架船体板的临界应力比横骨架的大四倍。,1.6 船体板由于有较强的骨架支持，且与相邻的板连成一体，使得板在失稳后还能继续承受一定的压力，这叫做板存在着后屈曲强度，因此板受压的破坏应力(极限应力)仍将大于板的临界应力 。 1.7 板失稳后，在与骨架相连的板边的压应力将大于板中部的压应力，这表示板不是全部有效地工作。如果假定板与相连的骨架同样有效工作，则板的面积要打折扣，这个折扣就是板的折成系数 。,2. 示例： 试用初参数法求图示抗弯刚度为EI的等断面压杆的稳定性，给出计算欧拉力的方程式。 解：用初参数法解此压杆时，首先应在图示坐标系下写出压杆在中性平衡时的挠曲线方程式： 式中 ，R为中间支座的反力，方向向上。,l,l,T,T,x,y,由于 及R均为未知数，因此应利用下面三个边界条件， 可分别得到： (1) (2) (3