船舶结构强度设计第一章

1、L o g oL o g o船舶强度与结构设计船舶强度与结构设计第一章 船舶静置在波浪上的外力计算 L o g oL o g o本节内容本节内容概述概述1静水弯矩计算静水弯矩计算2波浪附加弯矩计算波浪附加弯矩计算3剪力和弯矩计算实例剪力和弯矩计算实例4L o g oL o g o概述概述 船舶在波浪上的变形特征于受力静置：1）船舶与波浪相对速度为零；2）船体重力和浮力处于平衡状态。 1、船舶在波浪上的受力与变形特征 2、计算工况：满载出港、满载到港、压载出港、压载到港（10%消耗品） 3、船体产生弯矩和剪力的原因 4、船体断面弯矩的组成：静水弯矩+波浪附加弯矩L o g oL o g o中垂变

2、形中垂变形(sagging)中拱变形中拱变形(hogging) 船体受负弯矩作用，中部的浮船体受负弯矩作用，中部的浮力小于重力，首尾部的浮力大于力小于重力，首尾部的浮力大于重力；船舶上甲板受压，船底受重力；船舶上甲板受压，船底受拉，发生中部下垂的变形。拉，发生中部下垂的变形。 船体受正弯矩作用，中部的浮力船体受正弯矩作用，中部的浮力大于重力，首尾部的浮力小于重大于重力，首尾部的浮力小于重力；船舶上甲板受拉，船底受压，力；船舶上甲板受拉，船底受压，发生中部上拱的变形。发生中部上拱的变形。L o g oL o g o dM dM：中垂变形：中垂变形 dM dM：中拱变形：中拱变形 dM dM：无拱

3、垂变形：无拱垂变形Mdd )dd(21dAFM 首尾平均吃水：首尾平均吃水：拱垂判定：拱垂判定：拱垂值：拱垂值：利用吃水判定船舶的拱垂利用吃水判定船舶的拱垂L o g oL o g o概述概述v计算原理计算原理 总纵弯曲应力计算的基本原理:根据材料力学中的柏努利梁理论,计算船体梁的总纵弯曲应力。根据材料力学的理论，受弯曲梁中应力按下式计算： 式中：M 计算剖面的总纵弯矩 I 剖面惯性矩Z 距离中和轴的距离iizIMjjWMjjzIW L o g oL o g o概述概述 本书介绍的船体强度计算方法是标准计算方法，也是一种比较强度计算方法。为什么说是比较强度，不是真实强度？ 比较强度与概率方法的

4、比较。L o g oL o g o静水弯矩计算静水弯矩计算v计算原理计算原理 总纵弯曲应力计算的基本原理:根据材料力学中的柏努利梁理论,计算船体梁的总纵弯曲应力。根据材料力学的理论，受弯曲梁中应力按下式计算： 式中：M 计算剖面的总纵弯矩 I 剖面惯性矩Z 距离中和轴的距离iizIMjjWMjjzIW L o g oL o g o静水弯矩计算静水弯矩计算v计算原理计算原理 静水弯矩：顾名思义，船舶静置在静水中产生的弯矩。船舶正浮条件：1）重力浮力相等；2）重心浮心在同一铅垂线上。所以，弯矩计算可以进一步分为两部分：重力引起和浮力引起的。L o g oL o g o静水弯矩计算静水弯矩计算v计算

5、原理计算原理 基本计算公式 )x( b)x(b)x(pxbxpxqs xxsxdx)x( bdx)x(b)x( pdx)x( qxN000) x(N) x(Nws wsxwxxsMMdxxNdxxNdxxNxM000)()()(L o g oL o g ol 3、负荷曲线（、负荷曲线（Load curve）v 5、弯矩曲线（、弯矩曲线（Bending moment curve）v4、剪力曲线（、剪力曲线（Shear curve）v1、重量曲线、重量曲线（Weight curve）)( xWl 2、浮力曲线（、浮力曲线（Buoyancy curve）)x( )x()x()x(Wq x0)x()x

6、(dxqN x0 x0)x(x0)x()x(dxqdxNM示例示例实例实例L o g oL o g o)x(W1、)x(2 、)x()x()x(Wq3 、 x0)x()x(dxqN4、 x0 x0)x(x0)x()x(dxqdxNM5、结论结论L o g oL o g o x0)x()x(dxqN x0)x()x(dxNM5t5tdXXOBACDOBACDOBACD0.5t/m1t/m1.5t/m2.5t-2.5t12.5t.m-0.5t/m0.5t/m)x(W)x( )x()x()x(Wq m20L, t10W0 结论结论L o g oL o g o剪力最大值剪力最大值Nmax：弯矩最大值弯

7、矩最大值Mmax ：XOBACD2.5t-2.5t12.5t.m0.5t/m位于距位于距首尾首尾L/4剖面剖面的的中和轴中和轴处；处；位于位于船中剖面船中剖面的的上甲板上甲板处。处。位于距位于距首尾首尾L/4的剖面处；的剖面处；位于位于船中剖面船中剖面处。处。剪应力最大值剪应力最大值max：弯曲应力最大值弯曲应力最大值max ：L o g oL o g o静水弯矩计算静水弯矩计算v重量分布重量分布 重量分布曲线：表示船长方向单位长度上重量大小的曲线。 重量曲线的物理意义：面积等于全船重量，形心为船舶重心。1、船舶重量的分类2、重量的分配原则 重量不变，重心不变，范围不变，站距均布L o g o

8、L o g o静水弯矩计算静水弯矩计算 主体钢料及舾装分配（全船性重量分配）主体钢料及舾装分配（全船性重量分配） 1）梯形分布方法 单位长度重量，均布为W/L，平行舯体部分构件强大，重量集度大，因此，重量分布沿船长方向应该为中间集度大，向首尾逐渐减小。图1、重量沿船长方向的分布 L o g oL o g o静水弯矩计算静水弯矩计算 系数系数a，b，c的确定的确定 方程的建立原则：面积=重量 面积形心=重心提供两个方程，根据船舶的外形，丰满程度，补充第三个条件确定系数b，则可确定系数a和c。重量等于面积和形心等于重心得Lxcacabg710864L o g oL o g o静水弯矩计算静水弯矩计

9、算对于瘦形船舶，b=1.195,对于丰满 的船舶，b=1.174。得到如下确定a和c的公式 LxcLxagg75461. 075461. 0对肥型船舶，b=1.174，则LxcLxagg754652. 0754652. 0L o g oL o g o静水弯矩计算静水弯矩计算 局部性重量分配局部性重量分配1）分布在两个站距内的重量L o g oL o g o静水弯矩计算静水弯矩计算2）分布在三个站距内的重量课后大家推导一下。L o g oL o g o静水弯矩计算静水弯矩计算 分布在站外的重量处理 各站间重量叠加，得到各个站间的重量，如下图所示：L o g oL o g o静水弯矩计算静水弯矩计

10、算 浮力曲线浮力曲线纵倾调整方法：解析法和逐步近似法。调整船舶在静水中的纵倾时，用逐步近似法比较方便。进行纵倾调整时，应具有邦戎曲线、静水力曲线以及船舶重量重心等资料。假定:1)纵倾调整过程中,水线面面积A不变；2）漂心位置不变；3）不计船体变形的影响。 L o g oL o g o静水弯矩计算静水弯矩计算L o g oL o g o如果上式不满足，说明船舶处于不平衡状态，需要调整首尾的吃水，调整船舶浮心的纵向位置。L%.xxbg10由型排水体积，查处dm 计算排水体积、纵向坐标 ,漂心 ,、水线面面积A、纵稳心M半径、浮心高度和浮心纵向位置。 检查浮心的纵向位置和重心的纵向位置，精度bxfx

11、静水弯矩计算静水弯矩计算L o g oL o g o 第一次调整首尾吃水 使浮心向船首移动，增大首吃水 和减小尾吃水 。 图 第一次纵倾调整adfdL o g oL o g o)2/(fmfxLdd)2/(fmaxLdd假定纵倾角为 ，则首尾吃水为 使船首倾力矩为使船尾倾力矩为MGH 0GCHR00HR 于是得 sinBR 船舶纵摇平衡时sin)(BRxxWbgRxxbg为小量。)xx(Wbgsin0BHL o g oL o g oRxx)x/L(ddbgfmf2Rxx)x/L(ddbgfma2 由da和df在邦戎曲线上作出水线，邦戎曲线L o g oL o g o当上述条件不满足时，说明船舶

12、仍未达到受力和力矩的平衡，继续改变首尾吃水，进行调整。第2次调整首尾吃水 00150V%.VVL%.xxbg101比较排水体积和 ，比较 浮心纵向位置 和重心的纵向位置0Vgx1bxL o g oL o g oRxx)x/ L(AVVddbgfmf 210Rxx)x/L(AVVddbgfma210如果V0大于 V1，则船舶增加吃水，加大排水量；如果如果V0小于 V1，则船舶减小吃水，减小排水量。 按照上述步骤进行，直至满足精度要求，表示船舶已经达到平衡状态。L o g oL o g o静水弯矩计算静水弯矩计算载荷曲线计算公式剪力和弯矩曲线的特征 1）首尾端剪力和弯矩为零； 2）弯矩曲线上任意点

13、的斜率，等于该剖面的剪力，因此弯矩最大剖面， 剪力为零 ； 3）在1/4船长剖面，弯矩曲线出现拐点，该剖面剪力出现极大值。 xbxpxqsL o g oL o g o波浪附加弯矩计算波浪附加弯矩计算关键：确定船舶在波浪中浮力的改变量关键：确定船舶在波浪中浮力的改变量 波浪附加弯矩的标准计算方法波浪附加弯矩的标准计算方法1、船舶与波浪的相对位置 两种遭遇状态：波峰在船中；波谷在船中。2、波浪参数的确定 （1）波形 ：二维坦谷波（trochodal wave ）。 L o g oL o g o波浪附加弯矩计算波浪附加弯矩计算特点：波峰较陡，波谷平坦，关于波轴线上下不对称。（2）波长 当船舶长度与波

14、长的为何比例时，船舶受力较大？这是确定波长的原则。 图 船舶遭遇不同波长的波浪L o g oL o g o波浪附加弯矩计算波浪附加弯矩计算引起较大载荷的波浪：1.1倍船长。 计算中，取波长等于船长，即波浪附加弯矩的标准计算方法：（1）船舶静置于波浪上，船舶航向与波浪传播方向相同；（2）取二维坦谷波为波浪模型，取波长等于船长；（3）船中分别位于波峰和波谷。LL o g oL o g o波浪附加弯矩计算波浪附加弯矩计算 坦谷波形的绘制方法坦谷波形的绘制方法在邦戎曲线上作出坦谷波形，得到各站吃水，便可以确定各个站的横剖面浸水面积。 取圆盘的半径为R，距离圆心的点 P0，并且有 2R002Phr圆盘滚动一周，P0点的轨迹，即为坦谷波形。cosrysinrx2坦谷波形的方程为：图中，圆心水平移动距离为 。210OOL o g oL o g o波浪附加弯矩计算波浪附加弯矩计算图 坦谷波形的形成L o g oL o g o波浪附加弯矩计算波浪附加弯矩计算波浪中附加剪力和弯矩的计算公式 xwswdx)x(b)x(b)x(N0 xwwdxxNxM0)()x(bw为波浪中平衡时的浮力曲线。L o g oL o g o波浪附加弯矩计算波浪附加弯矩计算需要确定的一点是：船在波浪中平衡的位置。静水状态下可以确定水线的位置，波浪状态下水线是一条曲线，船体各部分吃水不同，且船尾、船首和船中形状不同，因此