船舶强度与结构设计第四章

船舶强度与结构设计,第四章船体结构设计,本节内容,CompanyLogo,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。,CompanyLogo,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。,CompanyLogo,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）,CompanyLogo,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，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。,CompanyLogo,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：,CompanyLogo,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。,CompanyLogo,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。,CompanyLogo,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。,CompanyLogo,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。,CompanyLogo,型材剖面设计,理想剖面：两个离中和轴距离相等、面积各为0.5F的翼板组成的剖面称为理想剖面。理想剖面的剖面模数为,CompanyLogo,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,CompanyLogo,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。,CompanyLogo,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：,CompanyLogo,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。,CompanyLogo,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-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：,CompanyLogo,型材剖面设计,CompanyLogo,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,CompanyLogo,型材剖面设计,最小剖面模数改写为,K=36,CompanyLogo,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。,CompanyLogo,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。,CompanyLogo,型材剖面设计,由于,所以,将I及Smax计算式代入上式，可得,CompanyLogo,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,CompanyLogo,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：,CompanyLogo,型材剖面设计,抗弯强度与抗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：,CompanyLogo,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,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。,CompanyLogo,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,CompanyLogo,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,CompanyLogo,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,为最大压应力。,将弯曲和剪切临界应力公式分别代入上式，得,CompanyLogo,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。,CompanyLogo,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。,CompanyLogo,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。,CompanyLogo,型材剖面设计,图构件侧向失稳,CompanyLogo,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,CompanyLogo,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。,CompanyLogo,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,CompanyLogo,型材剖面设计,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。,CompanyLogo,型材剖面设计,图临界压力集度系数表,CompanyLogo,型材剖面设计,3、