第五章 船舶强度

1、第五章第五章 船舶强度船舶强度教学要求教学要求1.1.掌握船舶强度的概念和种类；掌握船舶强度的概念和种类； 2.2.理解船舶产生纵向变形的原因、拱垂变形与弯矩的关系；理解船舶产生纵向变形的原因、拱垂变形与弯矩的关系； 3.3.掌握利用纵强度曲线图、载荷弯矩许用力矩表进行船体掌握利用纵强度曲线图、载荷弯矩许用力矩表进行船体纵强度校核的方法以及船体纵向变形的经验校核方法；纵强度校核的方法以及船体纵向变形的经验校核方法；4.4.了解船体布置对船体纵向受力的影响；了解船体布置对船体纵向受力的影响； 5.5.掌握改善和保证船舶纵向强度的具体做法。掌握改善和保证船舶纵向强度的具体做法。 6.6.掌握船舶局

2、部强度的校核方法和保证船舶局部强度不受掌握船舶局部强度的校核方法和保证船舶局部强度不受损伤的措施。损伤的措施。学时：学时：4学时学时重点与难点重点与难点w 重点n船舶总纵强度的表示和校核方法；n船舶局部强度的表示和校核方法；n保证船舶总纵强度和局部强度的措施。w 难点n船舶总纵强度的表示和校核方法；n船舶局部强度的表示和校核方法。第五章、保证船舶强度第五章、保证船舶强度w 船体强度：船体强度：Strength of ship。n船体结构在规定外力作用下具有抵抗发生极船体结构在规定外力作用下具有抵抗发生极度变形和损坏的能力。度变形和损坏的能力。w 船体强度的分类：船体强度的分类：n总强度：纵向强

3、度、扭转强度、横向强度总强度：纵向强度、扭转强度、横向强度n局部强度局部强度 对于营运船舶：主要考虑纵向强度和局部强度对于营运船舶：主要考虑纵向强度和局部强度 5-1 5-1 保证满足船舶的纵向强度条保证满足船舶的纵向强度条件件一、船体纵向强度条件概述一、船体纵向强度条件概述w 纵向强度纵向强度(Longitudinal strength of ship) 船体结构所具有的抵御因重力和浮力船体结构所具有的抵御因重力和浮力沿纵向分布不一致而造成的极度变形或损沿纵向分布不一致而造成的极度变形或损坏的能力。坏的能力。 船舶产生变形的原因：w 整体平衡整体平衡w 纵向各舱不平衡纵向各舱不平衡7 GBG

4、1B1B2G3B3G4B4G5B5GRBRG6B6一、船体纵向强度条件概述一、船体纵向强度条件概述w 1船体受力及其分布：如图船体受力及其分布：如图4 -1船体受力及其分布船体受力及其分布 1船体受力及其分布船体受力及其分布w 1）重力沿纵向的分布：）重力沿纵向的分布： 重力分布密度函数重力分布密度函数P（x），），重力分布密度重力分布密度曲线曲线w 2）浮力沿纵向的分布：）浮力沿纵向的分布： 浮力分布密度函数浮力分布密度函数b（x），），浮力分布密度浮力分布密度曲线曲线w 3）垂向合外力沿纵向的分布：）垂向合外力沿纵向的分布： 负荷：单位船长上浮力和重力的差值负荷：单位船长上浮力和重力的差值

5、。 负荷重力大于浮力，负荷重力大于浮力，f（x）为（）为（+）；）； 浮力大于重力，浮力大于重力，f（x）为（）为（-）。）。 一、船体纵向强度条件概述一、船体纵向强度条件概述2横剖面上的切横剖面上的切力和弯矩力和弯矩1）切力及其分布）切力及其分布曲线：如图曲线：如图4 -22横剖面上的切力和弯矩横剖面上的切力和弯矩w切力：切力：Shear force n通过船体通过船体剖面上剖面上的的连接构件连接构件传递的传递的内力。内力。2横剖面上的切力和弯矩横剖面上的切力和弯矩w 切力分布函数切力分布函数F（x），），切力分布曲线切力分布曲线n重力大于浮力，重力大于浮力，F（x）为（）为（+）；）；n浮

6、力大于重力，浮力大于重力，F（x）为（）为（-）。）。w 切力绝对值的最大值一般出现在距船舶首切力绝对值的最大值一般出现在距船舶首尾尾1/4船长船长处。处。 2）弯矩及其分布曲线：如图）弯矩及其分布曲线：如图4 2所示所示2横剖面上的切力和弯矩横剖面上的切力和弯矩弯矩：弯矩：Bending moment。w 通过船体剖面上的连接构件传递的内内部力矩。通过船体剖面上的连接构件传递的内内部力矩。w 弯矩分布函数弯矩分布函数M（x），），弯矩分布曲线弯矩分布曲线w 重力对剖面所取的力矩大于浮力对剖面所取的重力对剖面所取的力矩大于浮力对剖面所取的力矩，力矩，M（x）为（）为（+）；反之）；反之M（x）

7、为（）为（-）。）。w 弯矩绝对值的最大值一般出现在弯矩绝对值的最大值一般出现在船中船中处。处。 3波浪切力与波浪弯矩波浪切力与波浪弯矩波浪切力（波浪切力（Fw）：）：w 船舶在波浪中剖面所受的切力与同样装载船舶在波浪中剖面所受的切力与同样装载状态下在静水中的切力的差值。状态下在静水中的切力的差值。波浪弯矩（波浪弯矩（Mw）：船舶在波浪中剖面所受）：船舶在波浪中剖面所受的弯矩与同样装载状态下在静水中的弯矩的弯矩与同样装载状态下在静水中的弯矩的差值。的差值。w Fw 及及Mw的计算方法见有关规范。的计算方法见有关规范。 4剪切变形与弯曲变形：剪切变形与弯曲变形：1）剪切变形：）剪切变形：w 船体

8、受到切力作用使其构件产生垂向位移船体受到切力作用使其构件产生垂向位移的变形。的变形。w 剪切应力：船体构件单位横剖面面积上所剪切应力：船体构件单位横剖面面积上所受到的切力。受到的切力。w 某一横剖面上剪切应力的最大值出现在中某一横剖面上剪切应力的最大值出现在中和平面处。和平面处。 1）剪切变形）剪切变形4剪切变形与弯曲变形剪切变形与弯曲变形w 2）弯曲变形：船体受到弯矩作用使其纵）弯曲变形：船体受到弯矩作用使其纵向构件产生的弯曲变形。向构件产生的弯曲变形。n弯曲应力：船体构件单位横剖面面积上所受弯曲应力：船体构件单位横剖面面积上所受到的弯矩。到的弯矩。n某一横剖面上弯曲应力的最大值出现在某一横

9、剖面上弯曲应力的最大值出现在龙骨龙骨板或上甲板板或上甲板。 4剪切变形与弯曲变形剪切变形与弯曲变形3) 拱垂变形：船体发生的总纵弯曲变形。拱垂变形：船体发生的总纵弯曲变形。中拱变形：中拱变形：Hoggingw 当船舶首尾部重力大于浮力而中部浮力大当船舶首尾部重力大于浮力而中部浮力大于重力时的船体弯曲变形。此时甲板受拉，于重力时的船体弯曲变形。此时甲板受拉，船底受压。船底受压。w 当波峰在船中时，中拱变形最大。当波峰在船中时，中拱变形最大。 4剪切变形与弯曲变形剪切变形与弯曲变形中垂变形：中垂变形：Saggingw 当船舶中部重力大于浮力而首尾部浮力大当船舶中部重力大于浮力而首尾部浮力大于重力时

10、的船体弯曲变形。此时甲板受压，于重力时的船体弯曲变形。此时甲板受压，船底受拉。船底受拉。w 当波谷在船中时，中垂变形最大。当波谷在船中时，中垂变形最大。2）弯曲变形）弯曲变形波浪中航行的弯矩变形：w 当波长=船长23 中拱船船中位于波峰，中拱加大中垂船船中位于波谷，中垂加大扭转强度扭转强度Torsion strength 1.概念概念 2.产生扭转变形的原因产生扭转变形的原因 船体斜置于波浪：影响最大船体斜置于波浪：影响最大 船舶横摇船舶横摇 装卸货物装卸货物w集装箱船和固体散货船：舱口宽大、无中间甲板，扭转集装箱船和固体散货船：舱口宽大、无中间甲板，扭转强度应予以强固强度应予以强固 5改善船

11、体强度的策略改善船体强度的策略w 1）船舶设计建造方面：合理选择结构材）船舶设计建造方面：合理选择结构材料、尺寸和布局。料、尺寸和布局。w 2）货物积载方面：保证货物及其它载重）货物积载方面：保证货物及其它载重沿纵向分布的合理性。沿纵向分布的合理性。二、船体纵向强度条件的校核方法：二、船体纵向强度条件的校核方法：校核原理：校核原理：1许用切力和许用弯矩：许用切力和许用弯矩： 船舶纵向上所能承受的最大切力和弯船舶纵向上所能承受的最大切力和弯矩。矩。船体的总纵强度在我国按照船体的总纵强度在我国按照2006年年钢钢质海船入级与建造规范质海船入级与建造规范的规定进行校的规定进行校核。核。 1许用切力和

12、许用弯矩：许用切力和许用弯矩：w 许用切力：在静水中许用切力：在静水中Qa=f ( LBP , B , C b等等 )w 许用弯矩：在静水中许用弯矩：在静水中Ma=f ( LBP , B , C b等等 )w 许用切力和许用弯矩表，参见船舶资料许用切力和许用弯矩表，参见船舶资料 1许用切力和许用弯矩：许用切力和许用弯矩：w 给出船中许用静水弯矩：给出船中许用静水弯矩：适用与较小船舶（适用与较小船舶（L90m）w 给出港内和海上船中弯矩许用值：给出港内和海上船中弯矩许用值：适用与中等大小船舶（适用与中等大小船舶（L150m）w 给出给出重要剖面上重要剖面上的剪力和弯矩许用值：的剪力和弯矩许用值：

13、适用与大型船舶（适用与大型船舶（L150m）1许用切力和许用弯矩：许用切力和许用弯矩：w 营运中的船舶：营运中的船舶：w 每年扣除腐蚀量：每年扣除腐蚀量：0.4%-0.6%w 5年以下取下限年以下取下限w 10年以上取上限年以上取上限2.船舶实际装载状态时的剪力和弯矩船舶实际装载状态时的剪力和弯矩w 重力和重力矩的计算重力和重力矩的计算w 浮力和浮力矩的计算浮力和浮力矩的计算w 波浪弯矩的计算波浪弯矩的计算3、船体纵向强度的校核步骤、船体纵向强度的校核步骤计算并校核各横剖面的静水切力和静计算并校核各横剖面的静水切力和静水弯矩：水弯矩：w静水切力的校核步骤静水切力的校核步骤n1）计算）计算Qan

14、2）计算船舶的实际静水切力）计算船舶的实际静水切力Qs, n3) 比较：应满足比较：应满足Qs Qa3、船体纵向强度的校核步骤、船体纵向强度的校核步骤w 静水弯矩的校核步骤静水弯矩的校核步骤n1）查取）查取Msn2）计算船舶的实际静水弯矩）计算船舶的实际静水弯矩Ms=f ( LBP , , C b等等 )n3) 比较：应满足比较：应满足Ms Ms常见校核方法常见校核方法w1、船中弯矩估算法、船中弯矩估算法w适用于中小船舶适用于中小船舶w查查许用切力和许用弯矩许用切力和许用弯矩MS 计算计算实际装载情况下的剪力和弯矩实际装载情况下的剪力和弯矩MS w判断判断| MS|MS 允许允许w | MS|

15、 MS 不允许不允许wMS0中拱中拱1. MS0中中 垂船中弯矩允许范围数据表常见校核方法常见校核方法2、强度曲线图校核法、强度曲线图校核法w 1）强度曲线图简介：）强度曲线图简介：n使用条件：执行使用条件：执行2006年年钢质海船入级钢质海船入级与建造规范与建造规范的一般干货船；的一般干货船； L90 m 或者均匀装载，可不校核静或者均匀装载，可不校核静水切力。水切力。 强度曲线图强度曲线图如如P121，图，图5-5。纵坐标纵坐标PiXi为总载重量的各个为总载重量的各个组成部分对船中所组成部分对船中所取的力矩的取的力矩的绝对值绝对值之和。之和。横坐标为平均型吃横坐标为平均型吃水。水。强度曲线

16、图强度曲线图w 2) 强度曲线图的使用强度曲线图的使用w 步骤步骤n（1）在）在dm处作垂直于横坐标的垂直线处作垂直于横坐标的垂直线n（2）计算）计算PiXi，作垂直于纵坐标的水，作垂直于纵坐标的水平线平线n（3）上述垂直线与水平线相交于一点。据此）上述垂直线与水平线相交于一点。据此判断船体变形的方向和范围。判断船体变形的方向和范围。3、站面强度校核表法、站面强度校核表法w 许用剪力和许用弯矩许用剪力和许用弯矩w 舱壁站面处的实际剪力和弯矩舱壁站面处的实际剪力和弯矩4、船舶总纵弯曲变形的判断、船舶总纵弯曲变形的判断n1）根据实船吃水判断）根据实船吃水判断 拱垂值：拱垂值：=|d-dm| (m)

17、的范围的范围船舶强度状况船舶强度状况结果结果L Lbpbp/1200/1200有利范围有利范围可以开航可以开航= L= Lbpbp/1200/1200L Lbpbp/800/800正常范围正常范围可以开航可以开航= L= Lbpbp/800/800L Lbpbp/600/600极限范围极限范围只允许在好天气时开航只允许在好天气时开航L Lbpbp/600/600危险值危险值不能开航不能开航4、船舶总纵弯曲变形的判断、船舶总纵弯曲变形的判断4、船舶总纵弯曲变形的判断、船舶总纵弯曲变形的判断n2）根据开档差判断）根据开档差判断 开档差开档差 = 开档值开档值 / 汽缸冲程汽缸冲程 开档差开档差范围

18、范围船舶强度状况船舶强度状况开档差开档差 1/100001/10000有利范围有利范围开档差开档差 =1/100002/100002/10000正常范围正常范围开档差开档差 2/100002/10000危险范围危险范围三、船舶总体布置对总纵弯曲变形的影响：三、船舶总体布置对总纵弯曲变形的影响：1中机船中机船n特点：重载：中拱变形较大特点：重载：中拱变形较大 压载：轻微中拱或中垂压载：轻微中拱或中垂n措施：货物：中区多装，中途少卸措施：货物：中区多装，中途少卸n 油水：装时先中部，后首尾；用时相反油水：装时先中部，后首尾；用时相反n 深舱：尽量不空深舱：尽量不空 三、船舶总体布置对总纵弯曲变形的

19、影响三、船舶总体布置对总纵弯曲变形的影响2尾机船尾机船w 特点：特点：n重载：大型船有中垂；普通船有轻微中拱或中垂重载：大型船有中垂；普通船有轻微中拱或中垂n 压载：压载： 中拱变形较大中拱变形较大w 措施：措施：n压载：中区为主，不单独使用首尾压载：中区为主，不单独使用首尾n油水：装时先中部，后首尾；用时相反油水：装时先中部，后首尾；用时相反n深舱：中部压载深舱：中部压载三、船舶总体布置对总纵弯曲变三、船舶总体布置对总纵弯曲变形的影响形的影响3中尾机船中尾机船w 特点：介于以上两者之间特点：介于以上两者之间w 措施：满载同中机船，空载同尾机船措施：满载同中机船，空载同尾机船四、保证船舶总纵强

20、度满足要求的措施四、保证船舶总纵强度满足要求的措施1用经验方法控制船体的总纵变形：用经验方法控制船体的总纵变形：w 方法：方法： 按舱容比分配各货舱的货物的重量。按舱容比分配各货舱的货物的重量。w 各货舱装货重量的计算公式：各货舱装货重量的计算公式： （t）w 调整值约为调整值约为10Pi % 调整值QVVPchchii四、保证船舶总纵强度满足要求的四、保证船舶总纵强度满足要求的措施措施w 在安排货物重量沿船舶纵向分布时，还应在安排货物重量沿船舶纵向分布时，还应考虑的因素：考虑的因素：n（1）货物装卸过程中）货物装卸过程中n（2）中途港装卸货物后）中途港装卸货物后n（3）油水分布及使用）油水分

21、布及使用 n合理压载、波浪中航行方法等根据不同的船舶布置形式，合理地选根据不同的船舶布置形式，合理地选配和使用油水配和使用油水第二节、第二节、保证船舶局部强度保证船舶局部强度船舶局部强度条件的概念船舶局部强度条件的概念局部强度局部强度(local strength)：w 船体结构具有抵抗在局部外力作用下产生船体结构具有抵抗在局部外力作用下产生的局部极度变形或损坏的能力。的局部极度变形或损坏的能力。w 重点考虑的船体局部位置：甲板、平台、重点考虑的船体局部位置：甲板、平台、舱底、舱口、首尾等。舱底、舱口、首尾等。w 船舶必须满足局部强度条件。船舶必须满足局部强度条件。 第二节、第二节、保证船舶局

22、部强度保证船舶局部强度w 一、表示船体局部强度的指标一、表示船体局部强度的指标 n1 1、均布载荷均布载荷 l均布载荷是指船舶不同载货部位均布载荷是指船舶不同载货部位单位面积单位面积允许承受的最大重量，单位为允许承受的最大重量，单位为KPa KPa n2 2、集中载荷集中载荷 l集中载荷是指集中载荷是指某一特定面积某一特定面积上允许承受的上允许承受的最大重量，单位为最大重量，单位为KNKN。这一特定面积是指。这一特定面积是指向该区域下的承重构件（如甲板纵桁）施向该区域下的承重构件（如甲板纵桁）施加集中压力的骨材（如横梁）之间的面积。加集中压力的骨材（如横梁）之间的面积。 一、表示船体局部强度的

23、指标一、表示船体局部强度的指标一、表示船体局部强度的指标w 3 3、车辆甲板负荷、车辆甲板负荷 n车辆甲板载荷指在舱盖、甲板或舱内装载车车辆甲板载荷指在舱盖、甲板或舱内装载车辆或使用车辆装卸货物时，甲板、舱盖或内辆或使用车辆装卸货物时，甲板、舱盖或内底板允许承受的以底板允许承受的以特定车轮数目为前特定车轮数目为前提的车提的车辆及所载货物的总重量。辆及所载货物的总重量。 w 4 4、堆积负荷、堆积负荷 n堆积负荷是指集装箱船的甲板、舱盖或舱底堆积负荷是指集装箱船的甲板、舱盖或舱底上不同的上不同的2020或或4040集装箱集装箱底座底座所能承受的最所能承受的最大重量。大重量。 堆积负荷堆积负荷二、

24、确定均布载荷的经验方法二、确定均布载荷的经验方法（缺乏资料时用）（缺乏资料时用） w 1 1、上甲板、上甲板 w 式中：式中：H Hc c甲板设计堆货高度，重结构船甲板设计堆货高度，重结构船取取1.5m1.5m，轻结构船取，轻结构船取1.2m1.2m； w c c船舶设计时选用的货物装载率，即舱内船舶设计时选用的货物装载率，即舱内货物重量与舱容的比率，（货物重量与舱容的比率，（t/mt/m3 3） w 该船的设计舱容系数，（该船的设计舱容系数，（m m3 3/t/t）。）。kPaHHPCCCd81. 981. 9二、确定均布载荷的经验方法（缺乏资料时用）w 2 2、中间甲板和舱底、中间甲板和舱

25、底 w 式中：式中：H Hd d二层舱或底舱的高度（二层舱或底舱的高度（m m） w c c设计装载率设计装载率, ,无资料时可取无资料时可取c c0.72t/m0.72t/m3 3kPaHPcdd81. 9三、船体局部强度条件的校核步骤：三、船体局部强度条件的校核步骤： w 1 1、杂货船、杂货船 n1)1)计算确定单位面积的实际负荷量计算确定单位面积的实际负荷量P Pd d 式中：式中：H Hcici 自下而上第自下而上第i i层货物之货堆高度（层货物之货堆高度（m m） nSFSFi i该层货物的积载因数（该层货物的积载因数（m m3 3/t/t） w 2) 2) 计算确定拟装部位的拟装

26、货物重量计算确定拟装部位的拟装货物重量P P以及货物底以及货物底部所跨过的部所跨过的骨材间距数目骨材间距数目n n w 3 3）确认满足船体局部强度条件：）确认满足船体局部强度条件：w 式中，式中，p pd d和和P P分别为该部位的均布载荷和集中载荷分别为该部位的均布载荷和集中载荷 kPaSFHPniicid1 81. 9 PnPPPdd三、船体局部强度条件的校核步骤：w 2 2、集装箱船、集装箱船 n1)1)根据船舶资料查取具体装载位置集装箱底座上的根据船舶资料查取具体装载位置集装箱底座上的堆积负荷堆积负荷P Ps s n2)2)根据积载计划计算确定堆装在该底座上的各层集根据积载计划计算确

27、定堆装在该底座上的各层集装箱重量之和装箱重量之和P Pc c 式中：式中：PiPi自下而上第自下而上第i i层集装箱的总重量（层集装箱的总重量（t t） 3) 3)比较。若比较。若Pc=PsPc=Ps，则该底座局部结构的安全有保证，则该底座局部结构的安全有保证 )(1tPPniiC四、保证满足船舶局部强度四、保证满足船舶局部强度条件的措施条件的措施w 1）考虑船龄）考虑船龄w 2）加横跨骨材的衬垫）加横跨骨材的衬垫w 3）舱盖上不装重货）舱盖上不装重货w 4）注意局部强度的校核）注意局部强度的校核例题：例题：w 某轮某轮No.2货舱二层舱拟装钢板（货舱二层舱拟装钢板（SF=0.45 m3/t）

28、,堆高堆高2 m，底舱先装一层钢管，底舱先装一层钢管（SF=1.6 m3/t ）,堆高堆高4 m，再装一层箱货，再装一层箱货（SF=0.9 m3/t ）,堆高堆高2.5 m。已知二层舱。已知二层舱高高3.5 m，底舱舱高，底舱舱高8 m。试校核该舱的局。试校核该舱的局部强度。部强度。 例题例题w 解：解：w 底舱的许用负荷：底舱的许用负荷：Pd1=0.72Hd1=0.728=5.76 m3/t =7.06Hd1=7.068=56.51 kPaw 二层舱的许用负荷：二层舱的许用负荷：Pd2=0.72Hd2=0.723.5=2.52 m3/t =7.06Hd2=7.063.5=24.72 kPa例

29、题例题w 底舱的实际负荷：底舱的实际负荷： P1=H11/SF11+ H12/SF12 =4/1.6+2.5/0.9=5.27 m3/t =51.7 kPaw 二层舱的实际负荷：二层舱的实际负荷： P2=H2/SF2 =2/0.45=4.41 m3/t =43.56 kPaw 底舱：因为底舱：因为P1Pd1，满足局部强度要求；，满足局部强度要求；w 二层舱：因为二层舱：因为P2Pd2，不满足局部强度要求，不满足局部强度要求 第5章 检测题w 波谷在船中时，船舶的受力情况是：nA.甲板受拉，船底受拉 nB甲板受拉，船底受压 nC甲板受压，船底受压 nD甲板受压，船底受拉第5章 检测题w 船舶强度曲线图中，点划线右側的区域，表示船舶在_中呈_变形。nA波浪，中拱 nB静水，中拱 nC波浪，中垂 nD静水，中垂第5章 检测题w 已知某船装载后，首吃水8.5米,尾吃水9.5米,中部吃水8.90米,则该船呈_变形，其值为_厘米。nA中拱， 5 nB中垂， 5 nC中拱， 10 nD中垂， 10第5章 检测题w 尾机型船在空船压载航行时为减缓纵向变形，在油水安排及使用时，应采取的措施有：nA先装中部，后装首尾部，先用首尾部油水nB先装首尾部，后装中部，先用首尾部油水nC先装中部，后装首尾部，先用中部油水nD先装首尾部，后装中部，先用首尾部油水 第5章 检测题