海洋工程结构力学-绪论

船舶与海洋工程学院,船舶与海洋工程结构力学,A13海工,白兴兰,联系电话：669013Email:baixl0813,三大力学的关系,理论力学：主要研究的是质点，刚体，并且以牛顿定律为主导思想来研究物体。它主要分为三大部分，静力学，运动学和动力学。理论力学的作用就是把客观存在的一些现象物理化，是一个物理建模的过程，然后再用数学的方法来解答。材料力学：主要研究的是杆件，板料、壳体，从理论力学的静力学发展而来，因为刚体是不会变形的，所以在理论力学中是不可能解释变形体的问题的，但实际上物体没有不发生形变的，材料力学就是研究物体在发生形变以后的一些问题，比如说刚度，强度，稳定性等结构力学：与材料力学的区别是研究对象为杆系、板架等结构，材料力学研究对象为构件。,目录,第1章绪论第2章单跨梁的弯曲理论第3章平面杆系结构计算第4章桁架结构与线状结构分析第5章能量原理及其应用第6章薄平板的弯曲分析第7章圆筒形薄壳的静力分析第8章结构稳定性分析第9章薄壁杆件的扭转,专业介绍,船舶工程与传统海洋工程分属不同的学科交通运输工程和土木工程：船舶结构是由板和板架组成的空间壳体结构，是一个具有六个刚体自由度的板壳结构；传统海洋工程结构是由杆件组成的空间钢结构或混凝土结构，钢结构通过桩基或桶形基础固定于海底，混凝土结构则借助于自重稳定地坐在海床上。选用教材不同船舶结构力学和土木工程专业的结构力学船舶结构力学以梁板和板壳结构为主；传统海洋工程结构力学以刚架和桁架结构（杆系结构）；,课程介绍,结构力学研究的对象是外载荷作用下发生形状变化的形体或结构。对于船舶与海洋工程结构而言，主要结构形式为梁结构、刚架结构、板架结构：单跨梁、多跨梁和板架梁；刚架、桁架、拱和索结构薄板和组合板（正交异形板）研究内容是不同结构形式对各种荷载的响应内力和变形的分析计算，梁的弯曲和扭转船的整体弯曲和扭转；刚架、桁架、拱和索结构的内力和变形计算；薄板的弯曲及稳定性分析,保证结构安全、正常工作的三大要素：,强度、刚度、稳定性,第1章绪论,1.1学习的目的和任务能够对船舶与海洋工程结构所必需的强度与刚度做出判断，为结构设计提供依据，使结构达到质量轻、材料省并具有足够的强度与刚度的标准。强度与刚度由结构中的各种应力和变形来衡量。目标：强度校核、结构设计,1.1.1学习目的,船舶具有一定的强度，是指船体结构在正常的使用过程和一定的使用年限中具有不破坏或不发生过大的变形的能力，以保证船舶能正常地工作。,1.1.2研究内容,研究结构在外载荷作用下的结构响应（受力与变形）。外载荷：重力、浮力、波浪载荷、冲击力以及惯性力等等。,如：把船整体当作一根梁来研究-即船体梁,将“船体梁”(shiphullgirder)静置于静水中或波浪上，计算在船纵向(船长方向)分布的重力与浮力作用下的弯曲变形与应力。,传统解船体强度的方法：,静置法,静置法：将船体梁静置于静水和静置于波浪上，然后按静水效应，研究船舶在重力和浮力作用下发生的弯曲变形和应力。,1.1.2研究内容,1.1.3学习目的,通过学习要掌握在给定的外力作用下如何确定结构中的应力与变形，包括研究受压构件的稳定性问题。,学习目的,1)具有对结构进行强度校核的能力,2)具有进行结构设计的能力,即对于已经设计好的或建造好的结构，在结构尺寸已知的条件下，在给定的外载荷或工况下，算出结构的应力与变形，并与许用值比较，从而判断结构的强度是否足够。,即对于将要设计建造的结构，在已知结构的外力及许用应力(或变形)的情况下，根据结构中算得的应力(或变形)的大小，定出结构的尺寸。,如：“船舶结构力学”,“船舶强度与结构设计”,“船舶振动”,作为基础,1.2结构的组成,结构是由不同类型的构件组合而成的几何不变体系。结构在实现其功能的过程中始终保持构件之间的相对位置不变直至结构破坏（刚体移动或构件之间的相对位置发生变化），这是结构与机构的本质区别。几何特征分类：杆系结构、板壳结构（注意板和壳的区别）几何组成及承载形式分类：平面结构、空间结构,1.2结构的组成,杆系结构：杆、梁、索和拱，主要区别体现在受力特征上板壳结构：几何特征是一个方向的尺寸远远小于其他两个方向的尺寸；板主要承受沿板厚方向的荷载，以弯矩和剪力传递荷载，如楼板和船体；壳则主要以壳曲面内的压力传递荷载，如筒形Spar等。板架结构：以连续梁组成的平面交叉梁系几何组成及承载形式分类：平面结构、空间结构,1.2.1新型的船舶与海洋工程结构物多体船：把两个或更多的船体横向以甲板固定在一起,高速船,水翼型高速船：船身底部有支架，装上水翼。当船的速度逐渐增加，水翼提供的浮力会把船身抬离水面，从而大为减少水的阻力和增加航行速度。,大型液化气船,1.2.2传统的采油平台：导管架钻井平台,新型海洋海洋结构物,活动式钻井平台：自升式钻井平台,自升式钻井平台,浮式生产系统（Floatingproductionstorageandoffloadingsystem,简称FPSO）,软刚臂系泊浮式生产系统,张力腿平台TLP,Spar平台一种用于深水的生产平台,半潜式平台1.钻井平台2.生产平台3.施工平台,海上风力发电机,海洋工程结构的发展历程有两个基本特点：一、从浅水逐渐向深水发展，从最初不足10m水深发展到2000m以上更深的海域作业；二、固定式结构向顺应式结构发展。,杆系结构鸟巢,索结构悬索桥,1.3荷载特征与主要失效形式,1.3.1荷载特征：静态荷载：不随时间而变化，包括水压力、自重等缓慢变化载荷：随时间缓慢变化，包括波浪分布压力、液体货物的晃动等快速变化载荷：随时间快速变化或载荷变化呈短周期变化，称之为冲击载荷。船舶与海洋工程结构力学主要讨论结构在静载作用下的响应。,1.3荷载特征与主要失效形式,1.3.2失效模式：失效：实际上是衡准准则的统称。损伤：由局部屈服或屈曲形成的过度永久变形以及由于疲劳或局部脆裂引起的裂纹。破坏：当结构损伤得很严重，以致它不能再履行其功能时，则认为结构受到破坏。断裂失效模式：疲劳断裂、脆性断裂失效模式延性失效模式：拉伸屈服、压缩失稳、递增破坏,1.3荷载特征与主要失效形式,1.3.3船舶强度破坏的类型,1.总纵强度（船体梁-shiphullgirder）,总纵强度：将船作为一个整体（船体梁）来研究的强度问题。在分布重力和浮力共同作用下船体主要为应力与弯曲变形，当船舶顺浪或逆浪航行，且波长与船长大致相等时，会出现“中拱”和“中垂”两种状况。,Hogging中拱sagging中垂,传统研究方法静置法,现常用研究方法波浪理论,1.3.3船舶强度破坏的类型,2.横向强度(transversestrength),横向强度：研究横向构件（如横梁、肋骨、肋板等）的强度问题。,1.3.3船舶强度破坏的类型,3.局部强度(localstrength),局部强度：研究局部构件（船底外板、底纵桁等）的强度问题。,1.3.3船舶强度破坏的类型,4.扭转问题(torsion),扭转问题：船在斜浪上航行，经常与波浪斜交，导致船体发生扭转，因此也就存在扭转问题。,1.3.3船舶强度破坏的类型,5.屈服强度(Buckling),稳定性问题：船体在总弯曲时船体受压的构件会因为受压过度而丧失稳定性。,1.3.3船舶强度破坏的类型,6.疲劳强度(fatigue),疲劳强度是指金属材料在无限多次交变载荷作用下而不破坏的最大应力称为疲劳强度或疲劳极限。实际上，金属材料并不可能作无限多次交变载荷试验。,1.3.3船舶强度破坏的类型,7.应力集中(stressconcentration),应力集中：船体的不连续部位在交变载荷作用下，导致这些部位的应力明显大于名义应力。,1.3.3船舶强度破坏的类型,8.船舶碰撞(collision),船舶碰撞：船舶之间或船舶与其它海洋结构物的碰撞，导致船体受损。,1.4研究对象,船舶结构力学：梁、板和板架为主；,土木工程结构力学：梁、刚架、索、拱等杆系结构为主；,结构,荷载：力学模型为集中荷载和分布荷载两大类荷载类型主要是重力、浮力、风、浪、流、冰和地震荷载等。,1.5结构的属性,结构的属性即结构承载能力的表现形式，包括：强度：结构不发生因塑性变形（屈服）或材料破坏而导致结构失效；刚度：结构不发生影响结构功能实现的变形或失稳。,1.6计算简图,结构力学中的计算简图，是指实际结构与计算模型之间的转化，包括：结构简化：简化的原则是结构变形等效几何荷载简化：集中荷载与分布荷载载荷边界条件简化：支座简化约束,1.6计算简图,研究方法：力法ForceMethod位移法DisplacementMethod能量法EnergyMethod有限元FEM,1.6计算简图,船舶结构主要构件有两类：,骨架包括横梁、肋骨、纵骨、纵桁、扶强材、垂直桁、水平桁、支柱等,板包括船体外板、内底板、各层甲板、纵横舱壁、平台等,支撑,骨架一般呈细长型，在船舶结构中成为“杆件”,在船舶结构中绝大多数“杆”的力学特征是“梁”承受弯曲，但在船舶结构力学中习惯上称为“杆”。,相互连接的杆件成为“杆件系统”，简称“杆系”,船舶与海洋工程结构力学主要研究内容：“杆”及“杆系”结构的计算和板的计算,1.6计算简图,在研究船体板的问题时，通常把四周由纵横骨架支持的那一部分作为研究对象即船体中的板简化为具有矩形周界的平板,板上的荷重分两类,第一类是垂直于板面的荷重：如作用于板上的水压力,第二类是位于板平面的荷重：如在船体总弯曲时作用于船体板平面的应力,连续梁、刚架和板架是船体结构中三种典型的杆系,1、连续梁,上甲板纵骨，在上甲板的骨架中，纵骨的尺寸最小，它穿过强横梁并通过横舱壁在纵向保持连续。在计算纵骨时认为强横梁有足够的刚性支持纵骨，从而可作为纵骨的刚性支座。纵骨在横舱壁处则作为刚性固定端，这样就得到图中的计算图形，即连续梁.,下面以一般的远洋干货船为例，简化典型的杆系介绍如下：,2、甲板,在上甲板(或下甲板)的骨架中，甲板纵桁与舱口端横梁尺寸最大，在计算时常可略去其他骨架对它们的影响，于是在研究甲板纵桁与舱口端横梁时就得到了一个井字形的平面杆系，如图A。此种杆系因外载荷垂直于杆系平面而发生弯曲，称为“交叉梁系”(grillage)或“板架”。如果舱口端横梁中点有支柱或半舱壁，就又可化为图1-9(b)中的板架,3、刚架,