船舶結(jié)構(gòu)強度與結(jié)構(gòu)設(shè)計

1、船舶強度與結(jié)構(gòu)設(shè)計第四章 船體結(jié)構(gòu)設(shè)計 本節(jié)內(nèi)容船體結(jié)構(gòu)設(shè)計概述1型材剖面設(shè)計2型材的穩(wěn)定性計算3待定4Company Logo船體結(jié)構(gòu)設(shè)計概述船舶設(shè)計過程合同設(shè)計，初步設(shè)計，詳細設(shè)計，生產(chǎn)設(shè)計，完工設(shè)計。合同設(shè)計：談判，初步的技術(shù)指標，船用途、主尺度、航速、主機、工期；初步設(shè)計：豐滿合同設(shè)計的各項指標。具體表現(xiàn)：型線圖，總布置圖，外板展開圖，以及一系列計算書（浮性、穩(wěn)性，快速性，耐波性，安全性）詳細設(shè)計：完善除生產(chǎn)過程外的所有準備技術(shù)工作。如：肋骨型線圖，分段結(jié)構(gòu)圖。Company Logo船體結(jié)構(gòu)設(shè)計概述完工設(shè)計：歸檔存檔船舶主尺度、船體型線、船舶建筑形式、甲板層數(shù)、內(nèi)底分布、艙壁位置，最

2、初確定的。結(jié)構(gòu)設(shè)計的任務(wù)是在上面的基礎(chǔ)上決定船體結(jié)構(gòu)形式、構(gòu)件尺寸和連接方法。成功的設(shè)計乃是合理地選擇結(jié)構(gòu)材料，保證結(jié)構(gòu)具有必須的強度和剛性的情況下，使結(jié)構(gòu)重量最輕。Company Logo船體結(jié)構(gòu)設(shè)計概述規(guī)范設(shè)計法：簡便，安全，不易反應(yīng)具體船舶特點、新技術(shù)成果，適用于常規(guī)的民船直接規(guī)范設(shè)計和間接規(guī)范設(shè)計，前者根據(jù)船型、船籍和主尺度直接查規(guī)范確定結(jié)構(gòu)形式和構(gòu)件尺寸，后者是參考母型，取構(gòu)件尺寸，根據(jù)規(guī)范修正尺寸大小。直接計算法：合理，可反映具體船舶特點，但計算工作量大，適用于軍船，大新特民船（高附加值）Company Logo船體結(jié)構(gòu)設(shè)計概述計算設(shè)計所謂計算設(shè)計，其實質(zhì)就是依據(jù)作用在結(jié)構(gòu)上的外力

3、，從強度和穩(wěn)定性條件出發(fā)，選擇適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)型式和構(gòu)件尺寸。船體結(jié)構(gòu)形式：船體是由板和型材組成的薄壁結(jié)構(gòu)，即板架結(jié)構(gòu)。根據(jù)位置和受力特點，認為分為船底板架、甲板板架、船側(cè)板架和艙壁板架等。由于位置和受力的不同，采用不同的骨架型式。Company Logo船體結(jié)構(gòu)設(shè)計概述一般，普通常規(guī)船上甲板和船底板架多采用縱骨架式，舷側(cè)板架為橫骨架式。這樣的布置一方面總縱強度方面容易滿足，另外，橫骨架式對橫向載荷的抵抗也增大，使局部強度容易滿足，又不至于占據(jù)過大的艙容。特殊情況：干貨船在下面兩種情況下上甲板宜于采用橫骨架式：Company Logo船體結(jié)構(gòu)設(shè)計概述1.船長小于90100m時，不論船長L與型深D之比

4、的比值如何；在100130之間，L/D1.7時；2.當(dāng)船長小于80100m，L/D小于12時，船底外板厚度不是由強度條件來決定的，而是取決于銹蝕磨耗的要求時；3.當(dāng)船的中垂彎矩遠大于中拱彎矩，即當(dāng) M中垂/M中拱1.52.0時4.船底易擱淺或者艙內(nèi)用抓斗起貨物而艙底又無護板時。Company Logo船體結(jié)構(gòu)設(shè)計概述若船底板架為橫骨架式，建議每檔肋骨設(shè)實肋板，這樣可以提高外底穩(wěn)定性、局部強度和簡化工藝。船側(cè)板架由艙壁間距、甲板和艙底間的距離而定。軍船舷側(cè)靠近甲板和船底多采用縱骨架式，其他采用橫骨架式。船端多采用橫骨架式，但是由于橫骨架式和縱骨架式在過渡銜接的問題，目前也有縱骨架式存在。Comp

5、any Logo船體結(jié)構(gòu)設(shè)計概述船體鋼料選擇：高強度鋼問題。目前船體構(gòu)件選擇主要考慮兩方面：強度和穩(wěn)定性。強度方面主要借助的材料特性是屈服極限，而穩(wěn)定性方面的標準時臨界應(yīng)力。選擇鋼料要根據(jù)具體情況而定。在結(jié)構(gòu)設(shè)計時，我們希望選擇的鋼料能使船體結(jié)構(gòu)最輕。Company Logo型材剖面設(shè)計型材剖面利用系數(shù)和比面積船體結(jié)構(gòu)中的型材球扁鋼，T型材，扁鋼，角鋼衡量型材剖面利用率的指標1.對型材剖面設(shè)計的要求 （1）構(gòu)成剖面的各個部分應(yīng)該具有足夠的強度、剛度和穩(wěn)定性；（2）應(yīng)該滿足生產(chǎn)與工藝的要求，制造簡單（3）剖面內(nèi)材料的分布合理，材料利用率高。 衡量剖面內(nèi)材料利用率的指標：剖面利用系數(shù)和比面積。Co

6、mpany Logo型材剖面設(shè)計理想剖面：兩個離中和軸距離相等、面積各為0.5 F的翼板組成的剖面稱為理 想剖面。 理想剖面的剖面模數(shù)為 理想剖面形式Company Logo型材剖面設(shè)計實際型材的最小剖面模數(shù)，小于理想剖面的剖面模數(shù)，因為，在同等面積下，平行于中和軸是所有情況中慣性矩最大的情況。即 Company Logo型材剖面設(shè)計W1-實際型材剖面的最小剖面模數(shù)； -剖面利用系數(shù)，其反映剖面中材料的分布的合理程度，剖面利用系數(shù)越大，則剖面材料的利用越接近理想剖面。 利用剖面利用系數(shù)時,同一類型材的剖面利用系數(shù)才可以比較,例如不同型號的角鋼可以比較剖面利用系數(shù),而角鋼和鋼管的剖面利用系數(shù)不可

7、以比較。所以剖面利用系數(shù)不能反映所有構(gòu)件不同剖面形狀材料的利用率。Company Logo型材剖面設(shè)計剖面模數(shù)比面積：F-型材剖面積；W-包括帶板在內(nèi)的型材的剖面模數(shù)。Cw小，表明利用較少的材料，獲得了較大的剖面模數(shù)，所以剖面材料的利用率越高，顯然Cw越小越有利。慣性矩比面積：Company Logo型材剖面設(shè)計I包括帶板在內(nèi)的剖面慣性矩，Ci小，表明利用較少的材料，獲得了較大的慣性矩，所以剖面材料的利用率越高，顯然Ci越小越有利。Company Logo型材剖面設(shè)計型材的強度要求與剖面要素強度要求：（1）彎曲強度要求；（2）剪切強度要求型材剖面模數(shù)與慣性矩的計算f1 -小翼板面積； f2 -

8、大翼板面積；f-腹板面積;h-腹板高度,t-腹板厚度。 中和軸距離基線h1：Company Logo型材剖面設(shè)計Company Logo型材剖面設(shè)計剖面對中和軸的慣性矩對小翼板的最小剖面模數(shù)Company Logo型材剖面設(shè)計最小剖面模數(shù)改寫為K=36Company Logo型材剖面設(shè)計參數(shù)h、f1、f2對于剖面最小剖面模數(shù)的影響：（1）剖面高度h不變，增加大翼板f2的面積，可減小K值，使W1增大，但是由于K的取值范圍變化較小。所以加大大翼板面積，W1增加緩慢；（2）增加小翼板面積f1,可使W1較大增加，比增加f2面積有效；（3）增加腹板高度h，W1增加最快，是提高剖面模數(shù)的最有效的方法。Co

9、mpany Logo型材剖面設(shè)計腹板的相當(dāng)面積和剪切穩(wěn)定性腹板承受剖面上的大部分剪力。剖面剪力為N，假定腹板承受全部剪力N，而且剪應(yīng)力沿高度方向均勻分布，任意高度處的剪應(yīng)力均為最大剪應(yīng)力，則有：-稱為腹板的相當(dāng)剪切面積。Company Logo型材剖面設(shè)計由于所以將I及Smax計算式代入上式，可得Company Logo型材剖面設(shè)計大翼板f2為船體板的一部分，其為常量。調(diào)整小翼板和腹板面積比值時，可得相當(dāng)腹板剪切面積的變化的范圍為 Company Logo型材剖面設(shè)計腹板的剪切強度要求相當(dāng)腹板剪切面積平均值：滿足腹板剪切強度要求腹板的面積應(yīng)該為：Company Logo型材剖面設(shè)計抗彎強度與抗

10、剪強度關(guān)系要求梁具有相同的剪切強度和彎曲強度，則由于材料的許用剪切應(yīng)力為剪切和彎曲強度相同的條件為：Company Logo型材剖面設(shè)計型材的穩(wěn)定性計算型材的局部穩(wěn)定性 1、翼板的穩(wěn)定性 力學(xué)模型：三邊自由支持，一邊自由翼板2、腹板的穩(wěn)定性 四邊自由支持，四邊承受剪應(yīng)力和長邊承受彎曲正應(yīng)力。Company Logo型材剖面設(shè)計引用俄羅斯巴波考維奇的成果，計算臨界應(yīng)力。（1） 僅承受線性分布的彎曲正應(yīng)力時，臨界應(yīng)力為Company Logo型材剖面設(shè)計（2）如果彎曲正應(yīng)力等于零，則 臨界剪切應(yīng)力為Company Logo型材剖面設(shè)計（3）如果腹板同時承受彎曲正應(yīng)力和剪切應(yīng)力，則板的失穩(wěn)條件為為最

11、大壓應(yīng)力。將彎曲和剪切臨界應(yīng)力公式分別代入上式，得Company Logo型材剖面設(shè)計或者整理得到：m-腹板高度與厚度得比值。比值 m大，不利于穩(wěn)定，減小m值，穩(wěn)定性增加。 Company Logo型材剖面設(shè)計 強度與穩(wěn)定性的矛盾要求：（1）保持腹板面積不變，減小板厚，增加腹板高度，抗彎慣性矩增加，有利于強度；（2）保持腹板面積不變，增加板厚，減小腹板高度，抗彎慣性矩減小，不利于強度，但是腹板的m值減小，有利于腹板的穩(wěn)定性。（3）為了兼顧強度和穩(wěn)定性，必須選取合適的m 值，船舶工程中，一般取m=70100。Company Logo型材剖面設(shè)計型材整體的穩(wěn)定性1、型材總穩(wěn)定性問題的提出 倉壁扶強

12、材等一類構(gòu)件承受水壓力,在壓力較小時，構(gòu)件的彎曲在腹板的平面內(nèi)發(fā)生，當(dāng)壓力載荷增加到超過一定數(shù)值時，構(gòu)件向腹板平面外發(fā)生彎曲，即側(cè)向彎曲，也稱為側(cè)向失穩(wěn)。側(cè)向失穩(wěn)屬于型材總穩(wěn)定性問題，如果型材總穩(wěn)定性不足，則會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的整體破壞，例如整個倉壁發(fā)生破壞。 型材側(cè)向失穩(wěn)如下圖所示。Company Logo型材剖面設(shè)計圖 構(gòu)件側(cè)向失穩(wěn)Company Logo型材剖面設(shè)計2、型材總穩(wěn)定性臨界壓力集度的確定 型材總穩(wěn)定性的分析模型為：倉壁板對扶強材提供抗轉(zhuǎn)約束，扶強材端部的 約束取為自由支持。 圖 承受水壓的扶強材Company Logo型材剖面設(shè)計水壓的最大集度為 。研究在圖示水壓力作用下，型材的總體穩(wěn)定性。采用如下的分析模型，計算最大臨界壓力集度。Company Logo型材剖面設(shè)計圖 扶強材剖面及約束表示單位寬度艙壁板對于扶強材的抗轉(zhuǎn)約束Company Logo型材剖面設(shè)計扶強材扶強材扶強材M=12b圖中，梁為單位寬度的板條梁；b-扶強材間距。求出單位力矩作用下板條梁的轉(zhuǎn)角 ，則抗扭剛度為扶強材的臨界壓力集度 可查表確定。Company Logo型材剖面設(shè)計圖 臨界壓力集度系數(shù)表Company Logo型材剖面設(shè)計3、型材總穩(wěn)定性的初次校核 影響型材總穩(wěn)定性的因素有：腹板高度、型材跨度、小翼板寬度等。增加小翼板寬度，可提高型材總穩(wěn)定性。