船舶结构物强度

思考题 1 依据 建造规范 与依据 强度规范 设计船体结构的方法有什么不同 它们各有何优缺 点 答 建造规范 根据规范确定最小尺寸 设计尺寸不应小于最小尺寸 优点 安全 简便 缺点 不易反应具体船舶的特点及新技术成果 强度规范 又分直接设计和间接设计 前者是依据 max MW 来确定构件尺寸 后 者参考母型取定构件尺寸 再计算 max 与 相比较 修改尺寸 优点 合理 反映具体的船舶特点 缺点 计算工作量大 2 为什么要将船体强度分为 总强度 和 局部强度 其中 局部强度 与 局部弯曲 的含义有何不同 答 总强度是把整个船体看做一个整体来研究其强度 局部强度是研究组成船体的某些部分 结构 节点及其组成构件的强度问题 一般在总强度校核已进行的前提下 对局部强度进行 分析 以确定结构布置原则和决定构件尺寸 局部弯曲是考虑将总纵弯曲应力计入的总应力 而局部强度还得将总应力与 相比较 进行强度校核 3 如何获得实际船舶的重量分布曲线 答 通常将船舶重量按 20 个理论站距分布 民船尾 首 军船首 尾编排 用每段理论站 距间的重量作出阶梯形曲线 并以此来代替重量曲线 作梯形重量曲线时 应使每一项重量 的重心在船长方向坐标不变 其重量分布范围与实际占据的范围应大致对应 而每一项理论 站距内的重量则当做是均匀的 最终 重量曲线下所包含的面积应等于船体重量 该面积的 形心纵向坐标应与船体重心的纵向坐标相同 4 说明计算船舶静水剪力 弯矩的原理及主要步骤 答 原理 认为船是在重力 浮力作用下平衡于波浪上一根梁 步骤 1 确定平衡水线位置 2 根据梯形法 围长法等得出船舶重量分布曲线 w x 根 据邦戎曲线得出某一吃水下的浮力曲线 b x 计算载荷曲线 q x w x b x 根据 x dxxqxN 0 计算船舶静水剪力 xx dxdxxqxM 00 计算静水弯矩 5 静置法 对计算波浪的波型 波长 波高以及与船舶的相对位置作了怎样的规定 答 对于 静置法 标准波浪的波形取为坦谷波 计算波长等于船长 波高则随波长变化 波船相对位置 中拱 波峰在船舯 和中垂 波谷在船舯 两种典型状态 6 按照 静置法 所确定的载荷来校核船体总纵强度 是否反映船体的真实强度 为什么 答 按照静置法所确定的载荷来校核船体总强度 不反映船体的真实强度 因为海浪是随机 的 载荷是动态的 而且当 L 较大时载荷被夸大 但具有相互比较的意义 7 依据 关系解释在中拱和中垂波浪状态下 通常船体波浪弯矩总是舯剖面附近最 大 这一结论是否适用于静水弯矩 答 适用于静水弯矩 将船近似为自由 自由梁 受垂向载荷作用 易知船体弯矩是舯剖面 附近最大 8 在初步设计阶段 如何应用 弯矩系数法 来决定船体的最大波浪弯矩和剪力 答 在初步设计阶段 通过参考母型船 估计一个主尺度 D L 在中拱 中垂两种情况下 由 max w MDLK 得出KDLMw max 其中 中垂 K 中拱 K的值约 15 35 而 max w N 由 max w N LMw 5 3 max 得出 9 试设计依据静置法计算船舶波浪剪力 弯矩的计算机程序框图 答 1 船型重量分布波浪参数 2 邦戎曲线 3 重力及重力矩 4 坦谷波波面坐标 5 平衡波轴位置 6 计算剖面吃水 7 相应浮力分布 8 mn 是否够小 9 波轴参数修正 10 计算波高循环 11 波浪剪力与弯矩计算 10 区别下列名词的不同含义 静水弯矩 波浪弯矩 波浪附加弯矩 抨击振动弯矩 答 静水弯矩是指在静水中船体在重力和浮力的总载荷作用下发生弯曲变形产生的弯矩 船 舶置于波浪上产生波浪附加弯矩 波浪弯矩是静水弯矩与波浪附加弯矩之和 抨击振动弯矩 是指由船首底部抨击压力产生的弯矩 11 船体总纵强度的校核通常包括哪三项主要内容 答 1 总合正应力 max总合总合 2 剪应力 12 举例说明船体结构中什么事纵向构件 什么是横向构件 它们对船体总纵强度的贡献有 何不同 答 构件长边平行于船长为纵向构件 构件长边垂直于船长称为横向构件 其中船体总纵弯 曲应力由纵构件承受 而横构件则起保证船体刚度的作用 13 划分船体四类纵向构件的依据是什么 结合船体的舯剖面画图指出第 1 至第 4 类纵向构 件的实际应用 答 按照纵向构件在传递载荷过程中所产生应力种类 将纵向强力构件分为四类 1 承受总纵弯曲应力 1 2 1 底部板架弯曲应力 2 龙骨面板 3 1 2 3 纵骨弯曲正应力 C 4 1 2 3 4 外板弯曲正应力 D 以纵骨架式船底板架为例 外板本身承受水压力时产生弯曲应力 然后将水压力传给纵骨 再由纵骨传给肋板 纵骨在传递水压力过程中将发生弯曲变形 与纵骨连接的外板部分又将 随纵骨弯曲而产生弯曲应力 14 船体结构相当于一根空心梁 其总纵强度的计算方法与普通实心梁不同 其中必须考虑 的两个特殊问题是什么 答 船体作为空心梁 必须考虑的两个特殊问题 1 应力的多重作用 因为总纵弯曲和局部弯曲应力同时存在 2 局部结构稳定性 防止船体板和骨架因刚度不足而失稳 15 何谓等值梁 在计算船体总纵弯曲正应力 1 的过程中 之所以要逐步近似的主要原因是 什么 答 在计算总纵弯曲应力 1 时 将实际船体结构视作一根具有和原结构相当抗弯刚度的实 心直梁来处理 称为等值梁假设 原因 船舶在静水中通常并非处于平浮状态 为了得到船 舶的实际平衡位置 必须通过逐步近似法进行纵倾调整 使浮力等于船舶重量 浮心纵向坐 标与重心纵向坐标一致 16 船体总纵强度校核时 应如何选择计算剖面的数目及位置 答 通常选取 3 到 5 个危险截面 弯矩最大 船中附近 剖面最弱 甲板大开口 剪力 最大 距船尾 1 4 附近 最大 17 船体总纵强度计算中 对船体纵构件 纵桁 纵骨及船体板 稳定性的一般要求是什么 答 纵骨 甲板边板 悬顶列板 平板龙骨 纵向梁不允许失稳 其他板允许失稳 18 计算船体不同部位纵骨的临界应力 cr 时 究竟采用 简单板架 还是 单跨压杆 的力 学模型主要取决于什么因素 答 支持纵骨的横向构件的刚度是否达到临界刚度 若达到取单跨压杆若未达到取简单板架 19 甲板衡量的临界刚度与必需刚度的含义有何不同 为了保证甲板纵骨的稳定性 横梁的 设计一定要使之达到临界刚度吗 答 临界刚度是指当横梁 cr KK 时 在计算纵骨稳定性时 可按单跨杆计算 必需刚度 是指为了满足纵骨的 cr 而必需使横梁所达到的刚度 不一定 如果在保证纵骨 cr 满足需 求的情况下 可以使横梁达到临界刚度 20 说明船体纵骨的欧拉应力计算公式 AlEi E 22 中各字母的含义 当按此公式计算 出的 E 值超过材料的比例极限时 应如何所得结果进行非弹性修正 答 E 材料弹性模数i 包括带板的骨材剖面惯性矩L 纵骨跨距A 纵骨剖面积 和带板面积 当 E 超出材料比例极限是 按下式修正 EcrsE 时 21 为什么船体板的临界应力可以简单地取为欧拉应力 E 而不做非弹性修正 在计算板的 E 时 为什么要区分纵式骨架和横式骨架 答 1 当 E 超出弹性范围时 做非弹性修正会使 E 下降 而失稳时 其上的骨材起到 刚性支持的作用 又会使 E 增加 考虑这两方面的影响 对船体板无需做修正 可直接取 Ecr 2 由于初挠度及横荷重对他们的 E 影响程度不一样 计算模型也不同 22 船体板的失稳不同于孤立板 其主要特点表现在哪些方面 答 失稳前 板的压力沿板宽度均匀分布 失稳后 板仍能继续工作 于孤立板不同的是 刚性周界将阻止失稳板的自由趋近 板中压应力重新分布 出现刚性区和柔性区 二者应力 不同 23 怎样计算纵式构架中不同部位船体板的减缩系数 答 1 只参与总纵弯曲的板 iE 2 同时参与总纵弯曲和局部弯曲的板 iiE 24 在船体底部板架弯曲的静力计算中 如何确定纵桁的承载宽度和带板宽度 答 承载宽度 纵骨间距 b 带板宽度 桁材间距 b 与 1 6 1 8 跨才的小者 min L 6 L 8 b 25 说明船体局部弯曲正应力 2 3 4 的含义 并比较它们的力学计算模型 答 板架弯曲应力 计算模型 若长 宽小于 0 8 用单跨梁计算 固定重量为均布载荷 P 外 板受均布压力 q 3 纵骨弯曲应力 计算模型 四边刚性固定的矩形板承受均布载荷 q 若 a b 大于 3 则为板条梁 26 在计算船体底部外板的局部弯曲正应力时 为什么要首先进行板的刚性判别 是否船体 板都属于刚性板 绝对刚性板 答 刚性板中只有弯曲应力 柔性板则包括弯曲应力和中面应力 所以只有先判别板的刚性 才能正确的进行应力计算 除舱壁板属于柔性板外 其余船体板都属于刚性板 27 在计算船底外板的局部弯曲正应力稳定性时 对板的边界约束条件取法有何不同 答 局部弯曲正应力计算 四边刚性固定板 稳定性 四边自由支持板 28 四周刚固定的矩形板子均布载荷作用下 其最大弯曲正应力发生于何处 为什么对纵式 骨架的船底外板进行总合正应力计算时 只取板格的中心点与短边中点 答 最大弯曲正应力发生于短边中点处 因为在计算总纵强度中只计算船长方向的最大应力 29 试说明在船体的一个舱段范围之内 正应力 1 2 3 4 沿纵向和垂向分别如何变化 答 正应力垂向变化纵向变化 1在型深高度范围内线性变化在舱长范围内近似变化 2在纵桁高度范围内线性变化舱壁与舱段中点处 反号 3在型纵骨度范围内线性变化以肋矩长度为变化范围 跨中与支座处反号 4在板的内外表面处最大反号以板格长度为变化周期 在板格长度内反号 31 在船体横剖面内 最大的总纵弯曲正应力与剪应力分别发生在何处 答 在船体横剖面内最大的总纵弯曲正应力发生在距中性轴最远处于剪应力发生在中性轴处 32 为什么船体总纵强度校核内容需要包括哪些极限弯矩 船体舯剖面的极限弯矩主要与哪 些因素有关 答 1 因为船体结构除保证在正常航行状态中具有足够的强度外 对某种意外的状态也应 具有一定的强度储备 船舶可能遇到的意外情况多种多样 如搁浅 碰撞 水下爆炸等 这 些情况下计算状态的外力难于确定 因而需要用船体剖面中的极限弯矩来估计船体所需过载 能力 2 船体剖面的极限弯矩与船体与船体材料的屈服极限和极限弯矩作用下的船剖面模 数有关 33 举例说明负面积法在船体总纵强度计算 1 的高次近似或极限弯矩计算 中的应用 答 例如在总纵弯曲应力的第二次近似计算中的应用 如果某构件要进行折减的剖面积为 A 折减系数为 a 则修正面积为 A a 1 此处即应用了负面积法 然后分别求出修正面积队 第一次近似计算的参考轴的静力距和惯性矩 再把结果与第一次近似计算结果相加可得 A B C 顺序计算即可 34 对于不同性质 不变 缓变和迅变 载荷 怎样选取相应的 危险 目前造船界的做法如 何 答 1 对于不变载荷 如静水弯矩 取 s 危险 2 对于缓变载荷 如波浪诱导弯矩 取 疲劳危险 3 对于迅变载荷 如抨击 引入动荡系数后 可按静载荷处理 但实际 上 许用应力标准是根据舰船设计 建造和营运的经验 以及积累的实船静载测量和航行试 验结果 根据安全和经济的原则而确定的 35 在船体结构的局部强度计算中 对于外部构件和内部构件 分别需要考虑哪些主要载荷 答 外部载荷 波浪偶然压力 内部构件载荷 1 中间甲板 内底板和水密舱壁 破损 压头 2 液舱的周界构建 内底板和油水舱壁和舱顶平台 偶然液压 注入管和空气管 压头大者 经常液压 高达舱顶的压头 36 在船体结构的局部强度计算中 对于露天甲板 内底板 分别需要考虑哪些主要载荷 答 露天甲板 破损压头 固定重量 还有偶然载荷人群的重量 内底板 破损压头 经常 液压 固定重量 37 在纵骨架式的船体底部板架局部强度计算中 怎样选取主向梁和交叉构件 如何才能相 对准确地确定该板架的边界条件 答 选纵骨为主向梁 选与纵骨垂直桁材为交叉构件 相对准确确定板架边界条件的方法为 解纵桁的连续梁 38 描述弹性固定端柔性系数和力偶固定系数的各自含义是什么 一般情况下 二者之间是 否存在着固定的转换关系 答 MK M 弹 M 固 无固定关系 39 举例说明 在船体结构的局部强度计算中 如何应用相对刚度分析来合理地简化计算构 件的边界条件 答 支持构件刚度小于被支持构件刚度 则为自由支持 若大于被支持构件刚度则为刚性固 定端 肋骨与肋板自由支持 肋骨与甲板刚性固定 40 船体局部强度计算中 选择不同许用应力的主要依据是什么 答 载荷的性质和构件种类 41 何谓纵式构架与横式构架 船体结构设计中采用纵式构架的主要目的是什么 答 纵式构架是指板格边长与船长方向平行的板架形势 横式构架是指板格边长与船长方向 垂直的板架形势 42 若船体总纵强度满足要求 能否保证其局部强度也自然满足 为什么局部强度计算的应 力不与总纵强度计算中的应力相叠加 答 不能 局部强度计算的区域 载荷 边界条件与总纵强度中 1 2 3 4 不同 它们方 向不同 43 对于军船和海船而言 为什么其底部和上甲板骨架的设计通常采用纵式构架 答 军船和海船的船长比较大 纵向弯矩比较大 而底部和甲板的应力最大 为满足足够的 纵向强度 纵骨结构的纵向强度比横骨架式大 故采用纵骨架式 44 横舱壁在船舶设计中起什么作用 答 横舱壁可用于分隔船体内部空间 把船体分成一个个单独舱室供装货 载荷 和安装机 电设备等用 另外还可以用于满足抗沉性和横向加强船体 45 在船体横舱壁上加设的支条通常取做垂直分布 其主要目的是什么 答 考虑到甲板和船底竖向作用力的传递 46 在上层建筑与主船体连接处相互作用的垂向力和水平剪力 它们对上层建筑的单独作用 效果有何不同 答 水平剪力 q 效果 使上层建筑产生于主题方向相反的弯曲变形 简称为 反向弯曲 作 用 阻止上层建筑与主题的纵向相对位移 垂向里 p 效果 使上层建筑产生 同向弯曲 作用 阻止上层建筑与主体的垂向分离 47 上层建筑参与船体总总往哪去的程度主要取决于哪些因素 答 端点效应 上建端部参与总纵弯曲程度比中部少 越靠近端部参与程度越少 上建长度 的影响 上建长度越短 其中部参与总纵弯曲程度越少 48 简述关于上层建筑参与总纵弯曲计算 组合杆 理论的基本原理 通常在什么情况下需 要采用这一理论 答 组合杆理论 上建与主体作为两根不同的梁 各自遵循 平断面 假设 且彼此间满足 变形协调条件 假定上建与主体的变形对称与上建中点 计算上建应力时 可先按其完全参 与总弯曲计算 若不满足强度条件 在按组合理论计算 偏于安全 50 何谓强力上建与轻型上建 对于这两类上层建筑的结构设计 应分别主要什么问题 答 强力上建 上建中部完全参与总纵强度者 如长桥楼 长甲板室 轻型上建 上建中部 参与中纵强度不大者 如短桥楼 注意问题 强力上建 1 应作为上甲板来设计 2 应 主要端部的应力集中 加强结构措施 有效传递竖向力 以使上层建筑能与主体一致弯曲变 形 轻型上建 结构尺寸的决定从稳定性 刚性 局部强度等方面来考虑 51 应力集中现象的主要特点是什么 结合船体结构举例说明实际可采用哪些结构措施来降 低应力集中 答 构件的间断处或断面发生突变 往往产生较高的应力变化急剧 最大力的分布范围仅局 限于区域 即应力集中现象 应力的这种变化是个局部现象 措施 1 降低应力集中系数 K 或应力范围 如圆孔减小直径 椭圆孔尽量使长轴平行于受力方向 矩形孔增大圆弧直径 r 2 增加板厚或设腹板 3 结构突变处采用过渡结构 如舱口围板端部用纵向肘板过渡 52 如果需要在船体甲板上开一个尺寸一定的矩形孔 那么可以考虑采取哪些措施来降低应 力集中 答 加强板或腹板应该沿整个开后纵边装设 当船宽中央部分的开口宽度小于 15 船宽 开 口长度为开口宽度的 3 4 倍时 则允许加强开口角隅部分 对于承受拉伸及剪切共同作用 的矩形开口 应考虑各自独立作用的特点 加强板应该盖住每个力单独作用是产生的高应力 加腹板 如果按计算求得的厚度大于原始厚度的 2 倍时 可以沿开口边缘采取加厚腹板的纵 向构件来代替 或采用较高强度的材料 此时其厚度可以按材料的屈服极限之比减少 必要 时则加大圆角半径以降低应力集中系数 从而减小腹板厚度 53 说明上层建筑端部在其与主船体相连接处产生集中现象的原因 答 上层建筑端部与主体连接处 由于断面形状发生突然变化 致使该处主体结构中产生高 度应力集中 在上建侧壁与主体连接处 作用着一系列集中力 如果以侧壁的端点为坐标原 点 则这些集中力在端点之外总是引起同号的正应力 这些应力的叠加效果就更加形成端点 处的应力集中 1 应力集中系数 应力集中处的最大应力与所选定的平均应力的比值 是应力集中程度的标 志 表明最大应力时所选定的基准应力的倍数 2 端点效应 由于上层建筑的自由端产生的效应叫做端点效应 表现在上层建筑中点断面的 弯曲应力受上层建筑长度变化的影响 3 减缩系数 板的欧拉应力 该构件的总纵弯曲反映板在失稳后 受折减构件的相当面积 与实际剖面的比值 4 极限弯矩 船体剖面内离开中和轴最远点的构件的应力达到结构材料的 s 时 船体剖面 中所对应的总纵弯曲 5 极限剖面模数 极限弯矩作用下的船体剖面模数 54 海洋环境载荷主要包括哪些载荷 它们各有何特点 答 风 海浪 海流 冰 地震等 55 在海洋平台的强度计算中 选用不同波浪理论的主要依据是什么 答 海洋平台作业的水域条件 水深等 计算用途和计算精度的要求等 56 根据什么原则将海洋工程结构物划分为大尺度构件和小尺度构件 它们所受的波浪载荷成 分有何不同 答 小尺寸构件 D 0 2 波浪载 荷 惯性力 绕射力为主 D 截面特征尺寸 波长 57 说 明 下 列 计 及 结 构 物 运 动 的morison公 式 中 各 字 母 的 含 义 2 1 rRmnNrrD uVCuVuuACf 又若结构物为固定立柱 则该公式如何简化 答 水的质量密度 D C 拖拽力系数 A 构件截面面积 N V 单位长度体积 Cm 附加质量系数 R V 与附加质量有关的基准排水体积 r u 水质点相对于构件质心的速度 n u 入射波引起的水质点的加速度 r u 水质点相对于构件质心的加速度 rMrD uVCuuACf 2 1 M C 惯性力系数 58 morison 公式中的拖拽系数 D C的物理意义是什么 其数值主要与那些因素有关 答 D C为拖拽力系数 表征构件拖拽力的大小的一个无因次量 反映阻尼对相对构件的影 响 它与截面形状有关 表面粗糙度 雷诺数和物体上海洋生物附着的程度等有关 59 如何应用 F K 法计算作用于大尺度构件上的波浪力 答 根 据 水 深 选 择 合 适 的 波 浪 理 论 速 度 势 tzyx 压 力 分 布 tP dsnDFFk FkVVFkHH FCFFCF 60 试依据功能关系导出流水对直立桩柱撞击力的公式 答 动能定理 WEK x PdxBLhv 0 2 2 1 dxbhRmkBLhv C x 2 1 0 1 2 两物 体 完 全 接 触 k2 1 故 可 视 为 挤 压 力 做 功 又 由 b 2xtga 代 人 上 式 有 xtgadxbhRmkBLhv C x 2 2 1 0 1 2 得 2 1tga kmRBLx C 撞 击 力 BLtgamRkvhP C 1 2 61 解释链端刚度系数 Kxx 的含义 若已知锚链链态的任意两个独立参数 此外 锚链的 w 为已知量 能否确定出 Kxx 的数值 答 表示在某一个水平拉力 TH 状态下 当链端产生水平位移 dx 时 TH 也随即出现一个增 量 DTh Kxx 称为该状态时锚链的链端水平位移刚度 故在已知锚链链态任意两个独立参 数可以定 Kxx 值 63 在自升式平台的强度校核计算中 如何对环境 风 浪 流 进行搜索 其主要目的是 什么 答 目的 由于不同的风向 波浪入射角 波峰位置和不同的海流方向对平台产生的环境载 荷有较大差异 因而粗要对其进行搜索 并确定最大的环境载荷与甲板载荷叠加进行总纵强 度的计算 风 按风向 0 360 度 每隔 30 度取一个风向角进行计算 得到相应风力及力 矩 波浪载荷 波向角 0 360 每隔 30 度取一个 且每个波浪方向取 5 10 个不同的相 位角 波峰位置 进行波浪力的计算 得到每一波向的最大波浪力和波浪力矩 海流力 按 海流与波浪同向进行计算 浪与流的计算采用 morison 公式 64 自升式平台的结构主要由哪几部分组成 该类平台结构的薄弱环节是什么 答 由平台主体结构 桩腿和升降机构三大部分组成 薄弱环节是桩腿 65 对于具有桁架式桩腿的自升式平台 在总体强度分析和桩腿局部强度分析中 桩腿的模 型变化有何不同 答 总体强度分析中 模型化为相当杆件 桩腿局部强度分析中看成空间刚架 66 分析自升式钻井平台在正常作业和拖航等不同工况下 所受环境载荷的差异 答 拖航 浮力 波浪力 惯性力 桩腿根部固桩处有很大的动弯矩作用 着底 风力 波 浪力 潮流力 地基反力 67 对半潜式平台进行总体强度校核时 通常需要考虑哪些主要工况 为什么要选择多种计 算工况来进行强度校核 答 1 静水工况 风浪工况 其他工况 2 平台的波浪载荷不但与平台的结构特征 构件形 状和尺寸大小有关 而且与波高 波浪周期 波浪方向角 波峰与平台的相对位置等因素密 切相关 由于波浪的随机性 这些波浪因素有多种不同的组合状态 而且结构的各种梁元的 最大受力状态并不对应与同一波浪状态 因而其危险波浪工况不唯一 68 半式平台的结构可分为哪几部分 其中哪一部分是平台结构的薄弱环节 答 上层平台 下浮体 沉垫 立柱 撑杆 其中撑杆是平台结构的薄弱环节 69 圆柱构件的整体的稳定性和局部的稳定性问题有何不同 答 柱型屈曲 壳型屈曲 70 海洋平台总体强度分析中通常采用设计波法或设计谱法 二者主要区别 答 设计波法 确定性方法 以 50 年一遇的规则波作为设计波 然后计算作用在平台上的 使用载荷和环境载荷以及在这些作用下的构件应力 并根据规范的强