考研船舶与海洋工程2025年船舶结构试卷（含答案）

考研船舶与海洋工程2025年船舶结构试卷（含答案）考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、1.简述船舶结构设计需要满足的主要强度要求和刚度要求。2.解释什么是总强度和局部强度，并举例说明两者分析的重点对象。3.写出矩形薄板在简单支撑条件下，承受均布载荷时发生弹性屈曲的临界应力公式（需注明公式中各符号的含义）。二、4.一简支梁跨中受集中载荷F作用，梁长L，抗弯刚度EI。试推导梁中最大挠度y_max的表达式，并说明其物理意义。5.解释船体结构中中拱和中垂现象的基本概念，并简述它们对船体强度可能产生的影响。6.简述疲劳破坏与静力破坏的主要区别，并列举船体结构中常见的几种疲劳损伤形式。三、7.某船体结构构件由钢材制成，其屈服强度fy=235MPa。若该构件按第三强度理论（最大剪应力理论）进行强度校核，其许用应力[σ]应如何确定？请写出计算公式并说明理由。8.什么是船体结构的板格？简述板格在承受载荷时可能出现的两种主要破坏形式，并说明影响板格强度的因素。9.简述疲劳载荷的特点，并说明为什么船舶结构（尤其是焊接结构）更容易发生疲劳破坏。四、10.假设一船体舷侧板格（板厚t，宽度b，长度L）受简单支撑，承受均布的波浪载荷q。试简述分析该板格在波浪载荷作用下是否会发生屈曲的主要步骤和考虑因素。11.比较说明船舶结构在静力强度校核和疲劳强度校核方面的主要异同点。12.简述有限元方法（FEM）在船舶结构分析中的基本思想及其主要优势。五、13.阐述船舶结构轻量化设计的主要意义和常用措施。14.简述焊接残余应力在船舶结构中的产生原因及其可能带来的不利影响，并列举减小焊接残余应力的主要方法。15.结合你所学的知识，论述提高船舶结构抗疲劳性能的几个关键途径。试卷答案一、1.强度要求主要包括：满足静水压力、波浪载荷等作用下产生的总强度和局部强度；抵抗剪切、挤压、扭转等力的作用；避免发生断裂、屈服。刚度要求主要指控制结构的变形，如船体总纵变形（中拱、中垂）和局部变形（板格变形、骨架变形）在允许范围内，以保证船舶适航性和使用功能。2.总强度是指船体结构整个系统在外部载荷作用下抵抗破坏和过大变形的能力，如船体总纵强度（中拱、中垂强度）。局部强度是指船体结构中某个较小的组成部分（如一块板、一个舱壁、一个骨架）在外部载荷作用下抵抗破坏和过大变形的能力。总强度分析关注整个船体的刚度和强度，局部强度分析关注板格、骨架等细节部分。3.临界应力σ_cr=(π²E)/(12(1-ν²)(b/a)²)*(b/t)²，其中E为弹性模量，ν为泊松比，b为板的宽度，a为板的长度，t为板的厚度。二、4.由弯曲微分方程y''(x)=-M(x)/EI和M(x)=Fx/2(0≤x≤L/2)及边界条件y(0)=y(L)=0，积分两次可得y(x)=Fx²(3L-4x)/(48EI)，代入x=L/2得y_max=F(L²)/(48EI)。物理意义表示简支梁在跨中集中载荷作用下，其挠度的最大值。5.中拱是指船体绕纵向中剖面发生向上凸或向下凹的弯曲变形。中垂是指船体绕船宽中剖面发生向左或向右的弯曲变形。中拱和中垂都会导致船体不同位置的应力状态发生变化，可能增加某些区域的应力，降低其他区域的应力，影响船体的整体刚度和强度，甚至影响船的稳性和操纵性。6.疲劳破坏是在循环载荷作用下，材料在远低于其静态屈服强度的应力水平下发生的累积损伤直至断裂的过程。与静力破坏通常是瞬间发生、应力达到静态强度极限不同，疲劳破坏是渐进的、与载荷循环次数相关，且往往发生在应力集中部位。常见的疲劳损伤形式有：焊缝及附近区域疲劳裂纹、螺栓连接处疲劳破坏、板格疲劳破坏等。三、7.根据第三强度理论（最大剪应力理论），材料发生屈服的条件是最大剪应力τ_max达到材料的剪切屈服强度τ_y。对于钢材，τ_y=σ_y/2，其中σ_y为屈服强度。因此，构件的许用剪应力[τ]=[σ]/2。理由是最大剪应力理论认为材料沿最大剪应力面发生滑移而屈服，故以最大剪应力达到材料屈服强度作为强度判据。对于纯剪切应力状态，剪应力等于正应力的一半。8.船体结构的板格是指由板和其上的骨架（如肋骨、横梁、纵骨）组成的封闭或半封闭的结构单元。两种主要破坏形式是：板格屈曲（板在压应力或剪应力作用下失去稳定，发生波状变形）和骨架破坏（骨架在弯矩、剪力或轴力作用下发生屈服或断裂）。影响板格强度的因素包括：板的厚度、板的宽长比、板的支撑条件、板上的载荷大小和分布、骨架的尺寸和布置、材料的力学性能等。9.疲劳载荷是指大小和/或方向随时间周期性变化的载荷，如波浪载荷、机器振动等。船舶结构（尤其是焊接结构）更容易发生疲劳破坏的原因包括：船舶在使用过程中持续承受复杂的循环载荷；焊接残余应力的存在会显著提高结构的应力水平，尤其在应力集中部位；海水的腐蚀会降低材料的疲劳强度；结构设计中可能存在的应力集中等。四、10.分析步骤和考虑因素：首先确定板格的支撑条件（简支、固支等）；其次确定作用在板格上的载荷类型和大小（如均布载荷q）；然后根据板格的几何尺寸（长L、宽b、厚t）和材料属性（弹性模量E、泊松比ν）选择合适的屈曲理论（如弹性屈曲理论）；计算板格在给定载荷和支撑条件下的临界屈曲应力或屈曲波长；将计算得到的临界屈曲应力与板格承受的实际应力（或组合应力）进行比较，若实际应力大于临界屈曲应力，则板格会发生屈曲；考虑板格中骨架（肋骨、纵骨）对板格屈曲性能的加强作用；若考虑塑性，则需采用塑性屈曲理论进行分析。11.相同点：两者都是对船体结构进行的强度评估，都需考虑材料的力学性能、载荷作用、结构几何形状等因素，都需遵循相关的规范和标准。不同点：静力强度校核是在静态载荷作用下，评估结构抵抗破坏（断裂、屈服）的能力，关注应力是否超过许用应力；疲劳强度校核是在循环载荷作用下，评估结构抵抗累积损伤直至破坏的能力，关注应力幅和载荷循环次数，关注疲劳寿命和裂纹扩展；静力校核是瞬时的，疲劳校核是累积的。12.基本思想：将复杂的船体结构离散化为有限个小的、简单的单元（节点和单元），在每个单元上施加虚拟的力或位移，建立方程组，求解节点的位移，进而计算单元的内力、应力，从而近似得到整个结构的响应。主要优势：能够分析复杂几何形状的结构、能够考虑非线性问题（如塑性、几何非线性）、能够模拟复杂的边界条件和载荷、计算效率随着计算机技术的发展而不断提高，是现代船舶结构分析的主要工具。五、13.船舶结构轻量化设计的主要意义在于：降低船舶自重，从而减少结构尺寸和材料消耗，降低建造成本；提高船舶的有效载荷能力或载货量；降低船舶运营成本（燃油消耗减少）；提高船舶的快速性、操纵性和适航性；减轻结构在波浪载荷下的响应，提高安全性。常用措施包括：选用高强度、轻质材料（如高强度钢、铝合金、复合材料）；优化结构形式和尺寸，采用更合理的结构布置；采用先进的结构设计方法，如薄壁结构设计、拓扑优化等。14.焊接残余应力是由于焊接过程中不均匀的加热和冷却造成的。产生原因：焊缝附近区域冷却速度快，而远离焊缝的区域冷却速度慢，形成温度梯度，导致热应力；冷却后，焊缝区域收缩受限而产生残余应力。不利影响：可能引起应力集中，降低结构的疲劳强度和抗脆断能力；可能引起焊接变形和翘曲，影响装配精度；在低温或承受冲击载荷时，残余应力可能成为裂纹萌生的根源。减小焊接残余应力的主要方法包括：合理的焊接工艺（如预热、后热）；采用对称焊缝或减小焊缝截面；改善拘束条件；采用减应焊或水冷等。15.提高船舶结构抗疲劳性能的关键途径包括：避免或减小应力集中（优化结构设计，如圆角过渡、避免尖锐切口；保证焊缝质量和尺寸均