船體強度第二章課件

船體強度與結(jié)構(gòu)設(shè)計

天津大學(xué)建筑工程學(xué)院船舶與海洋工程系

船體強度與結(jié)構(gòu)設(shè)計

天津大學(xué)建筑工程學(xué)院船舶與海

第二章船體總強度計算2.1第一次計算船體總縱彎曲應(yīng)力

總縱彎曲應(yīng)力計算的基本原理:根據(jù)材料力學(xué)中的柏努利梁理論,計算船體梁的總縱彎曲應(yīng)力。根據(jù)材料力學(xué)的理論，受彎曲梁中應(yīng)力按下式計算：

-應(yīng)力計算位置到中和軸的距離；I-剖面慣性矩；M-剖面彎矩。一般來說，船體橫剖面的中和軸靠近船底，離甲板較遠，甲板處的彎曲應(yīng)力可以按照下式計算為甲板到中和軸的距離。或者寫作

第二章船體總強度計算2.1第一次計算船體則甲板處彎曲應(yīng)力為船底和甲板對應(yīng)剖面的最大和最小剖面模數(shù)。船體強度等值梁：由有效參與總彎曲的全部構(gòu)件組成的梁，該梁在抵抗總彎曲及總縱強度性能上與船體等效。2.1.1計算剖面的確定與船體構(gòu)件參與總縱彎曲的效率1、計算剖面的確定

對于船體橫剖面而言，應(yīng)力水平較高的剖面，容易發(fā)生破壞，因此必須找出彎曲應(yīng)力大的剖面。橫剖面上應(yīng)力的大小，取決于剖面的抗彎幾何特性和剖面彎矩，確定計算彎曲應(yīng)力的剖面，需要綜合考慮剖面抗彎能力和剖面內(nèi)力的大小。一般確定計算剖面的原則如下：（1）總縱彎曲力矩較大的剖面；（2）總縱彎曲剪力較大的剖面；則甲板處彎曲應(yīng)力為船底和甲板對應(yīng)剖面的最大和最小剖面模數(shù)。

（3）按照強度理論計算，相當應(yīng)力較大的剖面；（4）最大剪應(yīng)力理論，即第三強度理論

第四強度理論：形狀改變比能理論（5）結(jié)構(gòu)形狀或斷面積突變處：機艙前端、倉口、上層建筑端部（6）對于結(jié)構(gòu)強度無把握剖面；（7）規(guī)范上特別要求計算的剖面，如集裝箱船開口區(qū)域至少要計算5個剖面。2、船體構(gòu)件參與總縱彎曲的效率

由于船體中構(gòu)件的長短和構(gòu)件所處的位置不同，其參與總縱彎曲的效率或程度是不同的。

（3）按照強度理論計算，相當應(yīng)力較大的剖面；（1）縱向強力構(gòu)件縱向強力構(gòu)件:在船中0.4L區(qū)內(nèi)保持連續(xù)，并且有效參與總縱彎曲的構(gòu)件，如船體外板、縱骨、縱桁、中龍骨、旁龍骨等。

計算剖面模數(shù)時，縱向強力構(gòu)件的面積100%計入。（2）間斷構(gòu)件長度較短不能有效參與總縱彎曲的構(gòu)件，如短的甲板室、開口間的甲板屬于間斷構(gòu)件。間斷構(gòu)件的端部，不參與總彎曲，從端部到構(gòu)件長度中部，參與總彎曲的效率逐漸提高。圖構(gòu)件參與總彎曲效率的說明100對于不參加總彎曲的構(gòu)件的面積，應(yīng)該扣除，即計算剖面幾何特性的時候，（1）縱向強力構(gòu)件圖構(gòu)件參與總彎曲效率的說明100對于不不計算不參與總彎曲的構(gòu)件的面積。間斷構(gòu)件面積扣除的方法如下：1）甲板室的處理長度超過15%船長L，且長度大于6倍自身高度，以及至少受到3道橫倉壁支持的甲板室，可以認為其中部有效參與總彎曲，但是其端部參與總彎曲效率降低，需要扣除不參與總彎曲的構(gòu)件面積。圖甲板室端部構(gòu)件面積的扣除區(qū)域不計算不參與總彎曲的構(gòu)件的面積。間斷構(gòu)件面積扣除的方法如下：2）倉口間甲板兩個200角的斜線構(gòu)成的陰影區(qū)域內(nèi)的構(gòu)件不參與總彎曲，該部分構(gòu)件面積不計入抗彎幾何特性。圖倉口間甲板的構(gòu)件面積扣除由于倉口間甲板參與總彎曲效率很低，該剖面是船體結(jié)構(gòu)的薄弱剖面，因此2）倉口間甲板圖倉口間甲板的構(gòu)件面積扣除由于倉口間甲板參

倉口間結(jié)構(gòu)剖面容易發(fā)生破壞。3）倉口圍板如果倉口圍板的長度大于船舶的型深，則倉口圍板的中部可以認為參與總彎曲，其面積可以計入剖面抗彎幾何特性。2.1.2第一次總彎曲應(yīng)力計算假定：剖面上構(gòu)件沒有失穩(wěn)。一、剖面抗彎幾何特性計算剖面抗彎幾何特性：指剖面的有效抗彎面積、慣性矩、剖面模數(shù)等。1、確定有效參與總縱彎曲的構(gòu)件，畫出總彎曲有效構(gòu)件圖；2、選擇合適的坐標系3、計算剖面積、靜矩、移軸慣性矩和自身慣性矩、計算中和軸的位置、計計算剖面上每個構(gòu)件到中和軸的距離、計算剖面模數(shù)。倉口間結(jié)構(gòu)剖面容易發(fā)生破壞。3圖1、參與總彎曲的有效構(gòu)件與坐標系參考坐標系圖1、參與總彎曲的有效構(gòu)件與坐標系參考坐標系

二、計算總彎曲應(yīng)力計算公式計算彎曲應(yīng)力表1、總彎曲應(yīng)力第一次計算表二、計算總彎曲應(yīng)力計算公式計算彎曲圖2、參與總彎曲的有效構(gòu)件與坐標系計算實例：圖2、參與總彎曲的有效構(gòu)件與坐標系計算實例：表2、第一次總彎曲應(yīng)力計算結(jié)果表2、第一次總彎曲應(yīng)力計算結(jié)果三、船底和甲板剖面模數(shù)甲板剖面模數(shù)：橫剖面上甲板離中和軸最大，甲板處剖面模數(shù)最小，甲板處剖面模數(shù)是衡量船體強度的重要指標。船底剖面模數(shù)：船底離中和軸距離大于甲板，但是船底受到總縱彎曲，還承受較大的局部載荷，因此船底的剖面模數(shù)對于船體強度也十分重要。2.2第二次計算船體總彎曲應(yīng)力2.2.1構(gòu)件的受力與工作特征船體總彎曲應(yīng)力的計算為迭代過程：第一次計算時，沒有考慮受壓構(gòu)件的穩(wěn)定性問題，如果計算得到的受壓構(gòu)件的壓應(yīng)力大于歐拉應(yīng)力，表明構(gòu)件失穩(wěn)，其抵抗總彎曲的效能下降，對該部分構(gòu)件需要折減其抗壓能力，折減后再次進行彎曲應(yīng)力計算，直到前后兩次計算得到的應(yīng)力相差較小。所以計算總縱彎曲應(yīng)力的過程為迭代過程。三、船底和甲板剖面模數(shù)PPL=6m1、船體構(gòu)件的兩個基本問題：強度與穩(wěn)定性受壓直桿的穩(wěn)定性問題-桿件的穩(wěn)定性和強度之間的矛盾與統(tǒng)一受壓直桿斷面為空心鋼管，直徑12cm，壁厚1cm，截面積37,圓根據(jù)海船建造規(guī)范，取許用應(yīng)力為12.4kN/cm2,其可以承受的壓力為：圖受壓直桿按照穩(wěn)定性計算，其允許承受壓力根據(jù)歐拉公式確定。歐拉公式為（強度允許）（穩(wěn)定性允許）顯然，當壓力達到強度允許的66%時，結(jié)構(gòu)已經(jīng)失去穩(wěn)定性。PPL=6m1、船體構(gòu)件的兩個基本問題：強度與穩(wěn)定性受壓直桿船體結(jié)構(gòu)設(shè)計過程，必須滿足強度和穩(wěn)定性兩個方面的要求。2、船體強度計算方法的發(fā)展：（1）18世紀中葉，歐拉提出用梁理論計算計算船體的應(yīng)力和變形；（2）1874年，英國瑪麗（Marry）號游輪在北大西洋海域折斷；（3）1877年，美國造船學(xué)者威廉等分析瑪麗號折斷的原因，提出了板失穩(wěn)后抗壓能力降低需要進行折減的概念：船體結(jié)構(gòu)設(shè)計過程，必須滿足強度和穩(wěn)定性兩個方面的要求。

破壞原因：船體在總縱彎曲中垂狀態(tài)時，甲板受壓失穩(wěn)后承壓能力降低，載荷轉(zhuǎn)移到與甲板相鄰的縱骨上，縱骨應(yīng)力超出屈服極限，使船體舷邊角鋼發(fā)生屈服，導(dǎo)致船舶斷裂。圖瑪麗號甲板應(yīng)力的計算結(jié)果舷邊角鋼圖角鋼屈服破壞原因：船體在總縱彎曲中垂狀態(tài)時，3、船體梁構(gòu)件的工作特征

1）載荷較小時（壓應(yīng)力小于歐拉應(yīng)力），橫剖面中縱向構(gòu)件的應(yīng)力同步變化，應(yīng)力的變化規(guī)律符合梁理論；

2）當載荷增大時（壓應(yīng)力大于歐拉應(yīng)力），縱向構(gòu)件中的應(yīng)力不再同步增長。柔性構(gòu)件（板）由于失穩(wěn)，其抗壓能力降低，應(yīng)力不再增加，而與柔性構(gòu)件相鄰的骨材（縱骨、縱桁）應(yīng)力大幅度增加。船體構(gòu)件的工作特征：強度、穩(wěn)定性。（4）1930年，蘇聯(lián)學(xué)者布勃諾夫等完善了威廉的方法，形成了目前采用的第二次總縱彎曲應(yīng)力的計算方法。3、船體梁構(gòu)件的工作特征船體構(gòu)件的工作特征：強度、穩(wěn)定性。（2.2.2船體構(gòu)件的穩(wěn)定性及臨界應(yīng)力計算

穩(wěn)定性概念：受壓結(jié)構(gòu)體系保持原有平衡形式的能力。

臨界應(yīng)力：受壓桿件失穩(wěn)時對應(yīng)的壓應(yīng)力，稱為臨界應(yīng)力。1）線彈性范圍，直接采用歐拉公式得到失穩(wěn)時對應(yīng)的壓應(yīng)力；保證船體強度的關(guān)鍵構(gòu)件：指縱骨、縱桁、平板龍骨、舷頂列板、甲板邊板等船體構(gòu)件，這類構(gòu)件對保證船體結(jié)構(gòu)的強度具有重要作用，不允許發(fā)生失穩(wěn)。2.2.2船體構(gòu)件的穩(wěn)定性及臨界應(yīng)力計算保證船體強度的關(guān)鍵肋骨2)非彈性穩(wěn)定性：計算得到的歐拉應(yīng)力超出比例極限，稱為非彈性穩(wěn)定性問題。對于非彈性穩(wěn)定的桿件，計算得到的歐拉應(yīng)力為名義歐拉應(yīng)力，采用適當?shù)姆椒▽ζ溥M行修正，得到臨界應(yīng)力。一、板的臨界應(yīng)力計算1、橫骨架式（1）甲板板：四邊自由支持圖橫骨架甲板肋骨2)非彈性穩(wěn)定性：計算得到的歐拉應(yīng)力超出比例極限，稱為非

（2）船底板和內(nèi)底板板格的縱邊自由支持，肋板位置彈性固定約束。k-彈性系數(shù)，考慮肋板對于板邊固定程度確定。 （3）舷頂列板和甲板邊板三邊自由支持，一邊完全自由（4）舷側(cè)外板：四邊自由支持。S:肋骨間距C：縱桁間距橫骨架（2）船底板和內(nèi)底板k-彈性系數(shù)，考慮肋板對于板邊2、縱骨架式（1）甲板板和船底板計算模型：四邊自由支持比較縱骨架式和橫骨架式板格，縱骨架式板格穩(wěn)定性是橫骨架式穩(wěn)定性的四倍。（2）T型材的面板和腹板1）面板：三板自由支持，一邊完全自由無限長均勻受壓板2）腹板：四邊自由支持約束邊界的板格，壓縮應(yīng)力高度方向線性分布或均均勻分布，由高度大小決定?？v骨架2、縱骨架式比較縱骨架式和橫骨架式板格，縱骨架式板格穩(wěn)定性是二、縱骨的臨界應(yīng)力計算1、甲板縱骨

按兩端自由支持的受壓直桿計算。計算公式為：

-計入帶板在內(nèi)的縱骨剖面慣性矩；a-縱骨跨度。帶板圖包括帶板的縱骨剖面be二、縱骨的臨界應(yīng)力計算-計入帶板在內(nèi)的縱骨剖面慣性矩；a-

帶板確定方法：有效寬度取b–縱骨間距；第一次穩(wěn)定性計算時，取歐拉應(yīng)力計算值的非彈性穩(wěn)定性修正：由歐拉公式直接得到的結(jié)果為名義歐拉應(yīng)力，當計算值超出材料的比例極限時，需要修正歐拉公式直接得到的計算結(jié)果，得到臨界應(yīng)力。臨界應(yīng)力的計算公式：，當帶板確定方法：有效寬度取b–縱骨間距；第一次，當在船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計時，要求縱骨的臨界應(yīng)力達到屈服極限，即為此，縱骨的名義歐拉應(yīng)力應(yīng)該達到2.5倍的屈服極限:

計算出構(gòu)件的臨界應(yīng)力，填入第一次總彎曲應(yīng)力計算表，比較構(gòu)件的計算壓應(yīng)力和臨界應(yīng)力，如果構(gòu)件的臨界應(yīng)力小于計算壓應(yīng)力，則構(gòu)件在總彎曲應(yīng)力作用下，將失去穩(wěn)定性。需要重新考慮其失穩(wěn)構(gòu)件參與總彎曲的效率。2.2.3船體板折減系數(shù)計算1、折減系數(shù)的概念和定義船體板在小于臨界應(yīng)力壓應(yīng)力作用下，板中的應(yīng)力與相鄰骨材同步，當在船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計時，要求縱骨的臨界應(yīng)力達到屈服極限，即為此增長構(gòu)件，如下圖所示：縱骨縱骨圖板失穩(wěn)前應(yīng)力與相鄰骨材相同圖板失穩(wěn)后中間部分應(yīng)力小于相鄰骨材應(yīng)力增長構(gòu)件，如下圖所示：縱骨縱骨圖板失穩(wěn)前應(yīng)力與相鄰骨材相將圖示應(yīng)力分布簡化得到：圖失穩(wěn)后板格應(yīng)力分布的簡化板格失穩(wěn)后，骨材每側(cè)0.25倍板格短邊范圍內(nèi)應(yīng)力與骨材應(yīng)力同步增長，該部分板面積可以與縱骨的抗壓效率相同?？v骨0.5b縱骨將圖示應(yīng)力分布簡化得到：圖失穩(wěn)后板格應(yīng)力分布的簡化板格失縱骨間距內(nèi)0.5b寬度的板，僅能承受相當于臨界應(yīng)力的壓應(yīng)力。

剛性構(gòu)件：將骨材及骨材每側(cè)0.25倍板格短邊的板，稱為剛性構(gòu)件。

柔性構(gòu)件：板格受壓邊扣除剛性構(gòu)件面積后的板，稱為柔性構(gòu)件。

設(shè)剛性構(gòu)件的承受的壓應(yīng)力為，柔性構(gòu)件承受的應(yīng)力為，記柔性構(gòu)件的物理面積為A，其承受的載荷P為將柔性構(gòu)件面積處理為相當剛性構(gòu)件面積，即假定其承受的應(yīng)力為，記其面積為，由于柔性構(gòu)件部分承受的載荷是不變的，即有

或者整理得縱骨間距內(nèi)0.5b寬度的板，僅能承受相當于臨界應(yīng)力的壓應(yīng)力。相當剛性構(gòu)件面積：為相當剛性構(gòu)件面積，即認為柔性構(gòu)件承受與剛性構(gòu)件相同的壓應(yīng)力時，折算得到的虛擬的構(gòu)件面積。折減系數(shù)：柔性構(gòu)件失穩(wěn)后的相當剛性構(gòu)件面積與柔性構(gòu)件實際面積的比值。折減系數(shù)的物理意義：揭示了柔性構(gòu)件失穩(wěn)后抗壓效率的降低，如果柔性構(gòu)件的實際面積為A，其相當剛性構(gòu)件為，則承壓能力降低了。2、柔性構(gòu)件面積的確定和折減系數(shù)的計算（1）柔性構(gòu)件面積A1）橫骨架式：板格短邊為肋距2）縱骨架式：板格短邊為縱骨間距相當剛性構(gòu)件面積：為相當剛性構(gòu)件面積，即認為柔性構(gòu)件承受（2）折減系數(shù)的計算：1）僅考慮總彎曲應(yīng)力2）考慮總彎曲應(yīng)力和板架彎曲應(yīng)力，取當3、柔性構(gòu)件折減面積的計算（2）折減系數(shù)的計算：2）考慮總彎曲應(yīng)力和板架彎曲應(yīng)力，取當折減掉的面積柔性構(gòu)件有效抗壓面積為。

第二次總彎曲應(yīng)力計算即是要考慮柔性構(gòu)件的有效抗壓面積計算剖面的抗彎幾何特性。計算列表進行。2.2.4總彎曲應(yīng)力的第二次計算1、選取參考軸（1）選取第一次計算的參考軸為參考軸則以第一次計算得到的A、B、C值為基礎(chǔ)，在第一次計算時的參考軸下計算折減掉的面積、以及折減掉的面積對第一次計算時的參考軸的靜矩、慣性矩。折減掉的面積柔性構(gòu)件有效抗壓面積為。表第二次計算剖面抗彎幾何特性計算表第二次計算剖面抗彎幾何特性計算（2）選取第一次計算得到的中和軸為參考軸此時，剖面面積仍為A，但是靜矩B=0，C=I。則以A、B=0以及C=I為基礎(chǔ)，進行剖面折減計算。2、計算柔性構(gòu)件面積

對于受壓構(gòu)件，計算柔性構(gòu)件的面積，先確定剛性構(gòu)件的面積，則其余部分為柔性構(gòu)件面積。圖橫骨架式結(jié)構(gòu)0.5s025s剛性構(gòu)件的寬度：s-肋距（2）選取第一次計算得到的中和軸為參考軸2、計算柔性構(gòu)件面積0.25b0.5b0.5b圖縱骨架式剛性構(gòu)件面積b-縱骨間距即剛性構(gòu)件每側(cè)0.25倍板格短邊作為剛性構(gòu)件處理。甲板去掉剛性構(gòu)件面積的其余部分，為柔性構(gòu)件面積。3、折減系數(shù)計算及折減掉的面積折減掉的面積為負4、計算折減掉面積的靜矩及移軸慣性矩

計算折減掉的總面積、總靜矩、及總的慣性矩0.25b0.5b0.5b圖縱骨架式剛性構(gòu)件面積b-5、計算折減后剖面的有效參與總彎曲的面積、靜矩及慣性矩6、計算中和軸的位置及折減后有效參與總彎曲的面積對中和軸的慣性矩7、計算折減后各個構(gòu)件的總彎曲應(yīng)力5、計算折減后剖面的有效參與總彎曲的面積、靜矩及慣性矩6、計

總彎曲應(yīng)力計算迭代停止：

如果前后兩次計算的應(yīng)力的誤差大于5%：則需要繼續(xù)迭代計算。如果迭代三次后前后兩次的誤差仍大于5%：則說明結(jié)構(gòu)折減嚴重，穩(wěn)定性不滿足，需要修改結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。例題1：縱骨架式甲板，縱骨間距為b=600mm，甲板板厚t=6mm。在總強度第一次計算中，得甲板總彎曲應(yīng)力為。試求（1）計算甲板折減系數(shù)（2）折減掉的面積。解：（1）求歐拉應(yīng)力（2）計算折減系數(shù)(3)確定柔性構(gòu)件面積：扣除剛性構(gòu)件面積，得到柔性構(gòu)件面積。（4）計算半個剖面折減掉的面積總彎曲應(yīng)力計算迭代停止：例題1：縱骨架式甲板，縱骨間距例題2、進行總彎曲應(yīng)力計算。第一次計算得中和軸距離甲板1.74m，整個剖面的慣性矩為，剖面積A=704平方厘米，中垂總彎曲力矩為M=。肋距S=500mm。求總彎曲應(yīng)力。1.74m解：（1）第一次總彎曲應(yīng)力計算（2）計算歐拉應(yīng)力（3）計算折減系數(shù)（4）計算折減掉的面積（5）第二次總彎曲應(yīng)力計算例題2、進行總彎曲應(yīng)力計算。第一次計算得中和軸距離甲板1.71)確定參考軸取第一次所得中和軸為參考軸：折減前：對參考軸慣性矩：折減前面積對參考軸靜矩（即對中和軸）：B=02）計算折減后的剖面面積、中和軸位置和慣性矩面積：靜矩：對參考軸慣性矩：中和軸位置：中和軸1.74m慣性矩：1)確定參考軸取第一次所得中和軸為參考軸：折減前：對參考軸甲板距離新中和軸：第二次計算得總彎曲應(yīng)力：比較前后兩次計算結(jié)果：(6）第三次總彎曲應(yīng)力計算

1)計算折減系數(shù)2）甲板折減掉的面積3）取第二次計算所得中和軸為參考軸，進行第三次總彎曲應(yīng)力計算作業(yè)1甲板距離新中和軸：第二次計算得總彎曲應(yīng)力：比較前后兩次計算結(jié)作業(yè)2：

縱骨架式甲板，縱骨間距為b=700mm，甲板板厚t=6.5mm。在總強度第一次計算中，得甲板總彎曲應(yīng)力為1000。試求（1）計算甲板折減系數(shù)（2）折減掉的面積。*甲板邊板不折減。作業(yè)2：縱骨架式甲板，縱骨間距為b=700mm，甲板2.3船體構(gòu)件多重作用及按應(yīng)力合成校核總縱強度2.3.1船體構(gòu)件多重作用1、船體構(gòu)件載荷的傳遞關(guān)系（1）橫骨架式圖橫骨架結(jié)構(gòu)載荷的傳遞關(guān)系2.3船體構(gòu)件多重作用及按應(yīng)力合成校核總縱強度圖橫骨架載荷的傳遞和構(gòu)件變形：

船底板：自身在水壓力下發(fā)生板格彎曲，肋板和縱桁約束板格的變形，肋板和縱桁發(fā)生變形即板架發(fā)生彎曲，船底板參與船底板架的彎曲。此外，船底船體整體彎曲時，船底板也發(fā)生總縱彎曲，因此船底板參與三種變形：板格彎曲、板架彎曲、總縱彎曲。

縱桁：僅當板格彎曲帶動板架彎曲時，縱桁才發(fā)揮作用，所以縱桁參與板架彎曲和總縱彎曲。載荷的傳遞和構(gòu)件變形：（2）船底縱骨架結(jié)構(gòu)載荷的傳遞關(guān)系圖縱骨架結(jié)構(gòu)載荷的傳遞關(guān)系（2）船底縱骨架結(jié)構(gòu)載荷的傳遞關(guān)系圖縱骨架結(jié)構(gòu)縱骨：縱骨受到來自板格載荷的作用自身發(fā)生彎曲，縱骨將載荷傳遞給肋板和倉壁，引起板架的彎曲變形?？v骨因板架的彎曲也發(fā)生變形，此外，船底船體整體彎曲時，船底縱骨也發(fā)生總縱彎曲，因此船底縱骨的彎曲包括：縱骨自身在水壓力下發(fā)生彎曲、參與板架彎曲，此外，船底縱骨參與總縱彎曲，因此船底縱骨參與三種變形：縱骨參與三種變形：縱骨彎曲、板架彎曲、總縱彎曲?？v骨：縱骨受到來自板格載荷的作用自身發(fā)生彎曲，縱骨將載荷傳遞縱桁：僅當板格彎曲帶動板架彎曲時，縱桁才發(fā)揮作用，所以縱桁參與板架彎曲和總縱彎曲縱桁參與兩種變形：板架彎曲總縱彎曲2、船體構(gòu)件的分類及應(yīng)力成分

根據(jù)構(gòu)件參與變形的形式的多少，可以將構(gòu)件分為不同的種類：構(gòu)件多重作用：船體構(gòu)件在載荷作用下，參與多種變形形式，發(fā)揮多種作

稱為構(gòu)件的多重作用。板格：所有型材的彎曲，都影響板格的變形。板格參與四種變形：板格彎曲、縱骨彎曲、板架彎曲總縱彎曲縱桁：僅當板格彎曲帶動板架彎曲時，縱桁才發(fā)揮作用，所第一類構(gòu)件：僅參與總縱彎曲的構(gòu)件，應(yīng)力成分，例如沒有橫向載荷的甲板板。第二類構(gòu)件：參與板架彎曲和總縱彎曲的構(gòu)件，如船底縱桁和內(nèi)底版，存在兩種應(yīng)力成分：總彎曲應(yīng)力總彎曲應(yīng)力板架彎曲應(yīng)力第三類構(gòu)件：同時參與板架彎曲、總縱彎曲及縱骨彎曲。存在三種應(yīng)力成分：總彎曲應(yīng)力總彎曲應(yīng)力：板架彎曲應(yīng)力：縱骨彎曲應(yīng)力第一類構(gòu)件：僅參與總縱彎曲的構(gòu)件，應(yīng)力成分第四類構(gòu)件：同時參與板架彎曲、總縱彎曲、縱骨彎曲及板格彎曲。指縱骨架式外板。應(yīng)力成分四種：：總彎曲應(yīng)力總彎曲應(yīng)力：板架彎曲應(yīng)力：縱骨彎曲應(yīng)力：板格彎曲應(yīng)力2.3.2應(yīng)力合成方法1、第二類構(gòu)件合成位置：跨中、倉壁處

第四類構(gòu)件：同時參與板架彎曲、總縱彎曲、縱骨彎曲及板格彎曲。圖第二類構(gòu)件應(yīng)力合成:跨中和倉壁位置圖第二類構(gòu)件應(yīng)力合成:跨中和倉壁位置2、第三類構(gòu)件合成位置：縱骨跨中（兩個肋板之間）和肋板位置圖第三類構(gòu)件應(yīng)力迭加總縱彎曲應(yīng)力板架彎曲應(yīng)力縱骨彎曲應(yīng)力2、第三類構(gòu)件圖第三類構(gòu)件應(yīng)力迭加總縱彎曲應(yīng)力板架彎曲3、第四類構(gòu)件合成位置：板架跨中（橫倉壁之間）、縱骨跨中和肋板位置、橫倉壁位置圖第四類構(gòu)件應(yīng)力迭加3、第四類構(gòu)件圖第四類構(gòu)件應(yīng)力迭加2.4船體彎曲剪應(yīng)力計算

計算目的：船長1/4L，存在最大剪應(yīng)力，結(jié)構(gòu)的抗剪能力低于抗彎能力：2.4.1彎曲剪應(yīng)力的一般計算公式說明：寬度方向剪應(yīng)力均布。Sk-剖面上任意位置k一側(cè)面積對中和軸的靜矩。tk-位置k處剖面的寬度kN2.4船體彎曲剪應(yīng)力計算2.4.1彎曲剪應(yīng)力的一般計算公式

以剪應(yīng)力零點作為靜矩零點，即計算靜矩的起始點，計算任意點的靜矩。k0計算船體梁彎曲剪應(yīng)力時，考慮船體梁的實際情況并為了簡化計算，作出如下假定：（1）計算I和靜矩Sk時,不考慮構(gòu)件的折減，因為I/Sk的比值變化不大；（2）平斷面假設(shè)（3）將構(gòu)件均攤到船板上以剪應(yīng)力零點作為靜矩零點，即計算靜矩的起始點，計2.4.2、開式剖面和可化為開式斷面的船體梁剪應(yīng)力計算（1）開式剖面沒有縱倉壁的開口船體2.4.2、開式剖面和可化為開式斷面的船體梁剪應(yīng)力計算（1）

以剪應(yīng)力零點作為靜矩零點，即計算靜矩的起始點，計算任意點的靜矩。k0（2）可化為開式剖面的船體剖面船體橫剖面關(guān)于中縱剖面對稱，剪應(yīng)力作用線沿著中縱剖面，中縱剖面上，剪應(yīng)力等于零。（對稱結(jié)構(gòu)，對稱剖面上，僅存在對稱內(nèi)應(yīng)力）

則中縱剖面，為剪應(yīng)力零點，于是可以在縱中剖面切開，剖面化為開式剖面。k’ukue剪應(yīng)力零點以剪應(yīng)力零點作為靜矩零點，即計算靜矩的起始點，甲板剪切應(yīng)力：舷側(cè)剪切應(yīng)力：線性分布二次分布開式剖面剪應(yīng)力的分布：開式剖面剪應(yīng)力的分布圖甲板剪切應(yīng)力：舷側(cè)剪切應(yīng)力：線性分布二次分布開式剖面剪應(yīng)力的2.4.3、閉式剖面船體梁剪應(yīng)力計算

常見的閉式剖面為：c)大開口雙舷側(cè)結(jié)構(gòu)；d)帶縱壁的油輪剖面。2.4.3、閉式剖面船體梁剪應(yīng)力計算船體的閉口區(qū)域不存在剪應(yīng)力為零點，即無法確定靜矩零點。1、閉式剖面計算的剪應(yīng)力計算公式從沿船長方向取出微元體，長度為dx,環(huán)向坐標為ds,船體的閉口區(qū)域不存在剪應(yīng)力為零點，即無法確定靜矩零點。

由船體微段縱向力的平衡關(guān)系得：整理得：沿s方向積分得：

，上式積分沿著船體橫剖面邊界進行。

剪力流：定義，稱為剪力流。由船體微段縱向力的平衡關(guān)系得：整理得：沿s方向積分得由材料力學(xué)公式：

剪力等于：于是得：代入積分式得：上式z,表示微元面積tds的形心到中和軸的距離，積分表示0-s的面積對中和軸的靜矩，即由材料力學(xué)公式：剪力等于：于是得：代入積分式得：上式上式，q0按開式剖面計算得到的剪力流；q0

表示靜矩起始點位置的剪力流，對于開式剖面，q0=0。

對于閉式剖面，關(guān)鍵是求出計算靜矩起始點的剪力流q0。2、閉式剖面剪力流的計算（1）力的平衡條件開式剖面：按照開式剖面方法計算；閉式剖面：在d點切開，形成開式剖面，按照開式剖面計算剪力流q0;上式，q0按開式剖面計算得到的剪力流；q0表示靜矩起1）具有一個閉室情況閉室（1）的剪力流為：：按照開式剖面計算得到的剪力流；

：閉室1的常剪力流（1）d(2)2）具有兩個閉室情況

閉室2的剪力流為：：閉室2的常剪力流，僅在閉室1和2的公共邊界上。閉室1的剪力流為：:與閉式2相鄰的閉室1的常剪力流，僅出現(xiàn)在閉室2和閉室1的公共邊界上。（1）d開式1）具有一個閉室情況：按照開式剖面計算得到的剪力流；：閉室一般情況，第i格個閉室的剪力流分量可以寫作：

k-與i閉室相鄰的閉室個數(shù)。一般情況，第i格個閉室的剪力流分量可以寫作：k-與i閉室（2）變形協(xié)調(diào)條件

對于船體來說，剪力合力作用線通過剖面的彎曲中心，船體的剖面只發(fā)生彎曲變形，不會出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)變形，即扭率等于零,即：或者將總剪力流代入上式，得（2）變形協(xié)調(diào)條件對于船體來說，剪力合力作用C-積分路徑,沿著閉室邊界進行。僅在閉室的公共邊界上不為零，其余路徑上等于零，因此積分簡化為這里n為閉室的個數(shù)。共有n個位移協(xié)調(diào)條件。-常剪力流沿著閉口路徑的積分-開口剪力流沿著閉室邊界的積分。C-積分路徑,沿著閉室邊界進行。僅在閉室的公共邊界上不令N/I=1,則積分變?yōu)樯鲜綖閙0(s)為閉室上任意點對中和軸的靜矩，靜矩計算的起始點為閉室的切口位置，坐標軸垂直向上。關(guān)于各項的積分說明如下：：積分沿順時針方向進行,當積分方向方向與閉路積分方向相同時,取正號;相反時,取負號。1）切開閉室，施加常剪力流，的方向為順時針；2)按照開式剖面計算剪力流：令N/I=1,則積分變?yōu)樯鲜綖閙0(s)為閉室上任意點對中3）當常剪力流方向與閉路積分方向相反時，取負號；當方向相同時，取正號。

圖中，在閉口1，C為積分路徑，在公共邊界上，積分方向C向下，第1閉室與2相鄰邊界上，常剪力流閉室2的常剪力流，方向向上，與積分路徑C相反，積分值為負號。即4）在公共邊界上，常剪力流的方向與閉路積分路徑的方向相反，積分值取負號。CFD3）當常剪力流方向與閉路積分方向相反時，取負號；當方向相同時如果剖面僅一個閉室，沒有公共邊界，則qi,j=0，此時，協(xié)調(diào)條件變?yōu)椋撼＜袅α靼聪率接嬎?）計算任意位置總剪力流多個閉室：如果剖面僅一個閉室，沒有公共邊界，則qi,j=0，此時，協(xié)調(diào)單個閉室：

如果總剪力流為負號，則說明實際剪力流方向與所假設(shè)的剪力流方向相反。算例、剖面具有一道縱倉壁，中和軸位于1/2型深處，所有板厚t，剖面剪力為N，計算剪力流。單個閉室：如果總剪力流為負號，則說明實際剪力流方向與所假設(shè)解：點1和點6在中縱剖面，剪應(yīng)力等于零，取點1為靜矩零點，計算開口部分剪力流，開口1-2和6-5的剪力流為。

積分方向閉路積分路徑B/4B/4B/4中和軸123456解：點1和點6在中縱剖面，剪應(yīng)力等于零，取點1為靜矩零點，計閉口為2-3-4-5-2，在閉口點2切開，施加常剪力流。點2為計算閉口的靜矩零點。213按照開式剖面公式計算結(jié)果切開2點后施加的常剪力流456123閉口為2-3-4-5-2，在閉口點2切開，施加常剪力流靜矩積分方向與閉路積分方向相反積分方向靜矩積分方向靜矩積分方向與閉路積分方向相反積分方向靜矩積分方向負號說明實際常剪力流方向為逆時針。疊加求總剪力流：注意：閉口區(qū)求總剪力流時，靜矩計算的起始點要與選閉口切口位置。開口與閉口分界線的剪力流：閉口區(qū)：注意：閉口區(qū)求總剪力流時，靜矩計算的起始點要選在閉口切口位置。按照開式剖面公式計算結(jié)果切開2點后施加的常剪力流負號說明實際常剪力流方向為逆時針。開口與閉口分界線的剪力流：按照開式剖面公式計算結(jié)果切開2點后施加的常剪力流疊加后總的剪力流實際常剪力流為逆時針方向。按照開式剖面公式計算結(jié)果切開2點后施加的常剪力流疊加后總的剪2-5許用應(yīng)力

1、許用應(yīng)力的定義許用應(yīng)力是衡準結(jié)構(gòu)強度的指標。許用應(yīng)力法是結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本方法。將計算應(yīng)力與許用應(yīng)力比較，判斷和衡準結(jié)構(gòu)的安全性能。許用應(yīng)力-指在結(jié)構(gòu)設(shè)計所有預(yù)定的工況下，結(jié)構(gòu)構(gòu)件容許承受的最大應(yīng)力。K-安全系數(shù)，反映強度儲備的系數(shù)，一般船舶工程結(jié)構(gòu)安全系數(shù)取1.5~2.0,海洋工程結(jié)構(gòu)更高，一般為2~2.5。極限應(yīng)力取法與材料性質(zhì)和載荷形式有關(guān)：（1）塑性材料：極限應(yīng)力取屈服極限；（2）承受交變載荷：極限應(yīng)力取疲勞極限。2、影響許用應(yīng)力的因素

2-5許用應(yīng)力（1）載荷計算準確程度（2）應(yīng)力計算的精度（3）結(jié)構(gòu)作業(yè)環(huán)境的特點:變，未知因素多，載荷具有很大的隨機性

（4）結(jié)構(gòu)的損害后果（5）對強度儲備的要求3、確定船舶許用應(yīng)力公式和特點（1）基本公式和許用應(yīng)力特點特點：隨船長增加，許用應(yīng)力增加。原因：1）腐蝕補償：大船腐蝕相對小，通過許用應(yīng)力補償船體厚度的損失，大船補償小，許用應(yīng)力可以提高；（1）載荷計算準確程度（4）結(jié)構(gòu)的損害后果（5）對強度儲備的2）載荷補償標準計算方法中，取波高為L/20，對于大船，波高取大了，即人為夸大了船體的載荷，船舶越長，載荷夸大越嚴重。通過提高許用應(yīng)力，補償夸大的大船的載荷。相對強度計算方法：1）載荷計算忽略波浪的動態(tài)特性，取坦谷波波浪模型，計算得到的載荷

并非實際環(huán)境載荷；2）船體采用等值梁模型，計算總彎曲應(yīng)力，計算得到的應(yīng)力是近似的；3）將船體應(yīng)力劃分為四種應(yīng)力成分，分別計算各自應(yīng)力迭加合成，采用許用應(yīng)力衡準船體強度，破壞了結(jié)構(gòu)變形的連續(xù)性和力的平衡。許用應(yīng)力來自于實船測量和船舶的應(yīng)用實踐。船舶安全是相對的，并非絕對的。所以總強度計算方法是相對強度計算方法。

2）載荷補償相對強度計算方法：許用應(yīng)力取目前規(guī)范規(guī)定：靜水彎矩直接計算方法，波浪附加彎矩按照規(guī)范計算，計算應(yīng)力按下式計算：許用應(yīng)力取目前規(guī)范規(guī)定：靜水彎矩直接計算方法，波浪附加彎矩按2-7極限彎矩1、極限彎矩的定義及極限彎矩的計算（1）極限彎矩的定義指船體橫剖面內(nèi)離中和軸最遠點的應(yīng)力達到屈服極限時（對于受拉剛性構(gòu)件），或達到臨界應(yīng)力（對于受壓構(gòu)件）時，船體橫剖面對應(yīng)的總彎曲力矩。

（2）極限彎矩的工程意義

1）極限彎矩反映了船體抵抗以外載荷的能力；2）反映結(jié)構(gòu)強度的儲備，定義強度儲備系數(shù)n2-7極限彎矩1、極限彎矩的定義及極限彎矩的計算（1）極限強度儲備系數(shù)反映了船體承受過載能力的大小，對于一般船體，其過載系數(shù)要達到1.7以上，以便船舶具有足夠的強度儲備。對于海洋工作船舶，其過載系數(shù)大于運輸船舶。2、極限彎矩的計算步驟

極限彎矩計算要分別計算中拱彎曲極限彎矩和中垂彎曲極限彎矩。（1）令強力甲板的拉應(yīng)力達到屈服極限，并假定彎曲應(yīng)力成斜直線分布，計算其它構(gòu)件的應(yīng)力；（3）極限彎矩與計算彎矩的區(qū)別

1)極限彎矩與實際載荷無關(guān)，其為船舶過載能力或極限承載能力的指標，計算彎矩與工況和海洋環(huán)境有關(guān)。

2)極限彎矩是船體結(jié)構(gòu)抵抗外載荷能力的指標，與工況和海洋環(huán)境無關(guān)。強度儲備系數(shù)反映了船體承受過載能力的大小，對于一般船體，其過（2）對受壓構(gòu)件，計算臨界應(yīng)力及按比例計算壓應(yīng)力；（3）進行受壓構(gòu)件的折減計算；（4）再次計算剖面模數(shù)；（2）對受壓構(gòu)件，計算臨界應(yīng)力及按比例計算壓應(yīng)力；

要求塑性剖面模數(shù)不小于第一次近似計算剖面模數(shù)的75%，如果不滿足該要求，則橫剖面構(gòu)件穩(wěn)定性不足。（5）直至前后兩次剖面模數(shù)之差不大于10%，則得到塑性剖面模數(shù)極限彎矩：要求塑性剖面模數(shù)不小于第一次近似計算剖面

船體強度與結(jié)構(gòu)設(shè)計

天津大學(xué)建筑工程學(xué)院船舶與海洋工程系

船體強度與結(jié)構(gòu)設(shè)計

天津大學(xué)建筑工程學(xué)院船舶與海

第二章船體總強度計算2.1第一次計算船體總縱彎曲應(yīng)力

總縱彎曲應(yīng)力計算的基本原理:根據(jù)材料力學(xué)中的柏努利梁理論,計算船體梁的總縱彎曲應(yīng)力。根據(jù)材料力學(xué)的理論，受彎曲梁中應(yīng)力按下式計算：

-應(yīng)力計算位置到中和軸的距離；I-剖面慣性矩；M-剖面彎矩。一般來說，船體橫剖面的中和軸靠近船底，離甲板較遠，甲板處的彎曲應(yīng)力可以按照下式計算為甲板到中和軸的距離?；蛘邔懽?/p>

第二章船體總強度計算2.1第一次計算船體則甲板處彎曲應(yīng)力為船底和甲板對應(yīng)剖面的最大和最小剖面模數(shù)。船體強度等值梁：由有效參與總彎曲的全部構(gòu)件組成的梁，該梁在抵抗總彎曲及總縱強度性能上與船體等效。2.1.1計算剖面的確定與船體構(gòu)件參與總縱彎曲的效率1、計算剖面的確定

對于船體橫剖面而言，應(yīng)力水平較高的剖面，容易發(fā)生破壞，因此必須找出彎曲應(yīng)力大的剖面。橫剖面上應(yīng)力的大小，取決于剖面的抗彎幾何特性和剖面彎矩，確定計算彎曲應(yīng)力的剖面，需要綜合考慮剖面抗彎能力和剖面內(nèi)力的大小。一般確定計算剖面的原則如下：（1）總縱彎曲力矩較大的剖面；（2）總縱彎曲剪力較大的剖面；則甲板處彎曲應(yīng)力為船底和甲板對應(yīng)剖面的最大和最小剖面模數(shù)。

（3）按照強度理論計算，相當應(yīng)力較大的剖面；（4）最大剪應(yīng)力理論，即第三強度理論

第四強度理論：形狀改變比能理論（5）結(jié)構(gòu)形狀或斷面積突變處：機艙前端、倉口、上層建筑端部（6）對于結(jié)構(gòu)強度無把握剖面；（7）規(guī)范上特別要求計算的剖面，如集裝箱船開口區(qū)域至少要計算5個剖面。2、船體構(gòu)件參與總縱彎曲的效率

由于船體中構(gòu)件的長短和構(gòu)件所處的位置不同，其參與總縱彎曲的效率或程度是不同的。

（3）按照強度理論計算，相當應(yīng)力較大的剖面；（1）縱向強力構(gòu)件縱向強力構(gòu)件:在船中0.4L區(qū)內(nèi)保持連續(xù)，并且有效參與總縱彎曲的構(gòu)件，如船體外板、縱骨、縱桁、中龍骨、旁龍骨等。

計算剖面模數(shù)時，縱向強力構(gòu)件的面積100%計入。（2）間斷構(gòu)件長度較短不能有效參與總縱彎曲的構(gòu)件，如短的甲板室、開口間的甲板屬于間斷構(gòu)件。間斷構(gòu)件的端部，不參與總彎曲，從端部到構(gòu)件長度中部，參與總彎曲的效率逐漸提高。圖構(gòu)件參與總彎曲效率的說明100對于不參加總彎曲的構(gòu)件的面積，應(yīng)該扣除，即計算剖面幾何特性的時候，（1）縱向強力構(gòu)件圖構(gòu)件參與總彎曲效率的說明100對于不不計算不參與總彎曲的構(gòu)件的面積。間斷構(gòu)件面積扣除的方法如下：1）甲板室的處理長度超過15%船長L，且長度大于6倍自身高度，以及至少受到3道橫倉壁支持的甲板室，可以認為其中部有效參與總彎曲，但是其端部參與總彎曲效率降低，需要扣除不參與總彎曲的構(gòu)件面積。圖甲板室端部構(gòu)件面積的扣除區(qū)域不計算不參與總彎曲的構(gòu)件的面積。間斷構(gòu)件面積扣除的方法如下：2）倉口間甲板兩個200角的斜線構(gòu)成的陰影區(qū)域內(nèi)的構(gòu)件不參與總彎曲，該部分構(gòu)件面積不計入抗彎幾何特性。圖倉口間甲板的構(gòu)件面積扣除由于倉口間甲板參與總彎曲效率很低，該剖面是船體結(jié)構(gòu)的薄弱剖面，因此2）倉口間甲板圖倉口間甲板的構(gòu)件面積扣除由于倉口間甲板參

倉口間結(jié)構(gòu)剖面容易發(fā)生破壞。3）倉口圍板如果倉口圍板的長度大于船舶的型深，則倉口圍板的中部可以認為參與總彎曲，其面積可以計入剖面抗彎幾何特性。2.1.2第一次總彎曲應(yīng)力計算假定：剖面上構(gòu)件沒有失穩(wěn)。一、剖面抗彎幾何特性計算剖面抗彎幾何特性：指剖面的有效抗彎面積、慣性矩、剖面模數(shù)等。1、確定有效參與總縱彎曲的構(gòu)件，畫出總彎曲有效構(gòu)件圖；2、選擇合適的坐標系3、計算剖面積、靜矩、移軸慣性矩和自身慣性矩、計算中和軸的位置、計計算剖面上每個構(gòu)件到中和軸的距離、計算剖面模數(shù)。倉口間結(jié)構(gòu)剖面容易發(fā)生破壞。3圖1、參與總彎曲的有效構(gòu)件與坐標系參考坐標系圖1、參與總彎曲的有效構(gòu)件與坐標系參考坐標系

二、計算總彎曲應(yīng)力計算公式計算彎曲應(yīng)力表1、總彎曲應(yīng)力第一次計算表二、計算總彎曲應(yīng)力計算公式計算彎曲圖2、參與總彎曲的有效構(gòu)件與坐標系計算實例：圖2、參與總彎曲的有效構(gòu)件與坐標系計算實例：表2、第一次總彎曲應(yīng)力計算結(jié)果表2、第一次總彎曲應(yīng)力計算結(jié)果三、船底和甲板剖面模數(shù)甲板剖面模數(shù)：橫剖面上甲板離中和軸最大，甲板處剖面模數(shù)最小，甲板處剖面模數(shù)是衡量船體強度的重要指標。船底剖面模數(shù)：船底離中和軸距離大于甲板，但是船底受到總縱彎曲，還承受較大的局部載荷，因此船底的剖面模數(shù)對于船體強度也十分重要。2.2第二次計算船體總彎曲應(yīng)力2.2.1構(gòu)件的受力與工作特征船體總彎曲應(yīng)力的計算為迭代過程：第一次計算時，沒有考慮受壓構(gòu)件的穩(wěn)定性問題，如果計算得到的受壓構(gòu)件的壓應(yīng)力大于歐拉應(yīng)力，表明構(gòu)件失穩(wěn)，其抵抗總彎曲的效能下降，對該部分構(gòu)件需要折減其抗壓能力，折減后再次進行彎曲應(yīng)力計算，直到前后兩次計算得到的應(yīng)力相差較小。所以計算總縱彎曲應(yīng)力的過程為迭代過程。三、船底和甲板剖面模數(shù)PPL=6m1、船體構(gòu)件的兩個基本問題：強度與穩(wěn)定性受壓直桿的穩(wěn)定性問題-桿件的穩(wěn)定性和強度之間的矛盾與統(tǒng)一受壓直桿斷面為空心鋼管，直徑12cm，壁厚1cm，截面積37,圓根據(jù)海船建造規(guī)范，取許用應(yīng)力為12.4kN/cm2,其可以承受的壓力為：圖受壓直桿按照穩(wěn)定性計算，其允許承受壓力根據(jù)歐拉公式確定。歐拉公式為（強度允許）（穩(wěn)定性允許）顯然，當壓力達到強度允許的66%時，結(jié)構(gòu)已經(jīng)失去穩(wěn)定性。PPL=6m1、船體構(gòu)件的兩個基本問題：強度與穩(wěn)定性受壓直桿船體結(jié)構(gòu)設(shè)計過程，必須滿足強度和穩(wěn)定性兩個方面的要求。2、船體強度計算方法的發(fā)展：（1）18世紀中葉，歐拉提出用梁理論計算計算船體的應(yīng)力和變形；（2）1874年，英國瑪麗（Marry）號游輪在北大西洋海域折斷；（3）1877年，美國造船學(xué)者威廉等分析瑪麗號折斷的原因，提出了板失穩(wěn)后抗壓能力降低需要進行折減的概念：船體結(jié)構(gòu)設(shè)計過程，必須滿足強度和穩(wěn)定性兩個方面的要求。

破壞原因：船體在總縱彎曲中垂狀態(tài)時，甲板受壓失穩(wěn)后承壓能力降低，載荷轉(zhuǎn)移到與甲板相鄰的縱骨上，縱骨應(yīng)力超出屈服極限，使船體舷邊角鋼發(fā)生屈服，導(dǎo)致船舶斷裂。圖瑪麗號甲板應(yīng)力的計算結(jié)果舷邊角鋼圖角鋼屈服破壞原因：船體在總縱彎曲中垂狀態(tài)時，3、船體梁構(gòu)件的工作特征

1）載荷較小時（壓應(yīng)力小于歐拉應(yīng)力），橫剖面中縱向構(gòu)件的應(yīng)力同步變化，應(yīng)力的變化規(guī)律符合梁理論；

2）當載荷增大時（壓應(yīng)力大于歐拉應(yīng)力），縱向構(gòu)件中的應(yīng)力不再同步增長。柔性構(gòu)件（板）由于失穩(wěn)，其抗壓能力降低，應(yīng)力不再增加，而與柔性構(gòu)件相鄰的骨材（縱骨、縱桁）應(yīng)力大幅度增加。船體構(gòu)件的工作特征：強度、穩(wěn)定性。（4）1930年，蘇聯(lián)學(xué)者布勃諾夫等完善了威廉的方法，形成了目前采用的第二次總縱彎曲應(yīng)力的計算方法。3、船體梁構(gòu)件的工作特征船體構(gòu)件的工作特征：強度、穩(wěn)定性。（2.2.2船體構(gòu)件的穩(wěn)定性及臨界應(yīng)力計算

穩(wěn)定性概念：受壓結(jié)構(gòu)體系保持原有平衡形式的能力。

臨界應(yīng)力：受壓桿件失穩(wěn)時對應(yīng)的壓應(yīng)力，稱為臨界應(yīng)力。1）線彈性范圍，直接采用歐拉公式得到失穩(wěn)時對應(yīng)的壓應(yīng)力；保證船體強度的關(guān)鍵構(gòu)件：指縱骨、縱桁、平板龍骨、舷頂列板、甲板邊板等船體構(gòu)件，這類構(gòu)件對保證船體結(jié)構(gòu)的強度具有重要作用，不允許發(fā)生失穩(wěn)。2.2.2船體構(gòu)件的穩(wěn)定性及臨界應(yīng)力計算保證船體強度的關(guān)鍵肋骨2)非彈性穩(wěn)定性：計算得到的歐拉應(yīng)力超出比例極限，稱為非彈性穩(wěn)定性問題。對于非彈性穩(wěn)定的桿件，計算得到的歐拉應(yīng)力為名義歐拉應(yīng)力，采用適當?shù)姆椒▽ζ溥M行修正，得到臨界應(yīng)力。一、板的臨界應(yīng)力計算1、橫骨架式（1）甲板板：四邊自由支持圖橫骨架甲板肋骨2)非彈性穩(wěn)定性：計算得到的歐拉應(yīng)力超出比例極限，稱為非

（2）船底板和內(nèi)底板板格的縱邊自由支持，肋板位置彈性固定約束。k-彈性系數(shù)，考慮肋板對于板邊固定程度確定。 （3）舷頂列板和甲板邊板三邊自由支持，一邊完全自由（4）舷側(cè)外板：四邊自由支持。S:肋骨間距C：縱桁間距橫骨架（2）船底板和內(nèi)底板k-彈性系數(shù)，考慮肋板對于板邊2、縱骨架式（1）甲板板和船底板計算模型：四邊自由支持比較縱骨架式和橫骨架式板格，縱骨架式板格穩(wěn)定性是橫骨架式穩(wěn)定性的四倍。（2）T型材的面板和腹板1）面板：三板自由支持，一邊完全自由無限長均勻受壓板2）腹板：四邊自由支持約束邊界的板格，壓縮應(yīng)力高度方向線性分布或均均勻分布，由高度大小決定。縱骨架2、縱骨架式比較縱骨架式和橫骨架式板格，縱骨架式板格穩(wěn)定性是二、縱骨的臨界應(yīng)力計算1、甲板縱骨

按兩端自由支持的受壓直桿計算。計算公式為：

-計入帶板在內(nèi)的縱骨剖面慣性矩；a-縱骨跨度。帶板圖包括帶板的縱骨剖面be二、縱骨的臨界應(yīng)力計算-計入帶板在內(nèi)的縱骨剖面慣性矩；a-

帶板確定方法：有效寬度取b–縱骨間距；第一次穩(wěn)定性計算時，取歐拉應(yīng)力計算值的非彈性穩(wěn)定性修正：由歐拉公式直接得到的結(jié)果為名義歐拉應(yīng)力，當計算值超出材料的比例極限時，需要修正歐拉公式直接得到的計算結(jié)果，得到臨界應(yīng)力。臨界應(yīng)力的計算公式：，當帶板確定方法：有效寬度取b–縱骨間距；第一次，當在船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計時，要求縱骨的臨界應(yīng)力達到屈服極限，即為此，縱骨的名義歐拉應(yīng)力應(yīng)該達到2.5倍的屈服極限:

計算出構(gòu)件的臨界應(yīng)力，填入第一次總彎曲應(yīng)力計算表，比較構(gòu)件的計算壓應(yīng)力和臨界應(yīng)力，如果構(gòu)件的臨界應(yīng)力小于計算壓應(yīng)力，則構(gòu)件在總彎曲應(yīng)力作用下，將失去穩(wěn)定性。需要重新考慮其失穩(wěn)構(gòu)件參與總彎曲的效率。2.2.3船體板折減系數(shù)計算1、折減系數(shù)的概念和定義船體板在小于臨界應(yīng)力壓應(yīng)力作用下，板中的應(yīng)力與相鄰骨材同步，當在船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計時，要求縱骨的臨界應(yīng)力達到屈服極限，即為此增長構(gòu)件，如下圖所示：縱骨縱骨圖板失穩(wěn)前應(yīng)力與相鄰骨材相同圖板失穩(wěn)后中間部分應(yīng)力小于相鄰骨材應(yīng)力增長構(gòu)件，如下圖所示：縱骨縱骨圖板失穩(wěn)前應(yīng)力與相鄰骨材相將圖示應(yīng)力分布簡化得到：圖失穩(wěn)后板格應(yīng)力分布的簡化板格失穩(wěn)后，骨材每側(cè)0.25倍板格短邊范圍內(nèi)應(yīng)力與骨材應(yīng)力同步增長，該部分板面積可以與縱骨的抗壓效率相同。縱骨0.5b縱骨將圖示應(yīng)力分布簡化得到：圖失穩(wěn)后板格應(yīng)力分布的簡化板格失縱骨間距內(nèi)0.5b寬度的板，僅能承受相當于臨界應(yīng)力的壓應(yīng)力。

剛性構(gòu)件：將骨材及骨材每側(cè)0.25倍板格短邊的板，稱為剛性構(gòu)件。

柔性構(gòu)件：板格受壓邊扣除剛性構(gòu)件面積后的板，稱為柔性構(gòu)件。

設(shè)剛性構(gòu)件的承受的壓應(yīng)力為，柔性構(gòu)件承受的應(yīng)力為，記柔性構(gòu)件的物理面積為A，其承受的載荷P為將柔性構(gòu)件面積處理為相當剛性構(gòu)件面積，即假定其承受的應(yīng)力為，記其面積為，由于柔性構(gòu)件部分承受的載荷是不變的，即有

或者整理得縱骨間距內(nèi)0.5b寬度的板，僅能承受相當于臨界應(yīng)力的壓應(yīng)力。相當剛性構(gòu)件面積：為相當剛性構(gòu)件面積，即認為柔性構(gòu)件承受與剛性構(gòu)件相同的壓應(yīng)力時，折算得到的虛擬的構(gòu)件面積。折減系數(shù)：柔性構(gòu)件失穩(wěn)后的相當剛性構(gòu)件面積與柔性構(gòu)件實際面積的比值。折減系數(shù)的物理意義：揭示了柔性構(gòu)件失穩(wěn)后抗壓效率的降低，如果柔性構(gòu)件的實際面積為A，其相當剛性構(gòu)件為，則承壓能力降低了。2、柔性構(gòu)件面積的確定和折減系數(shù)的計算（1）柔性構(gòu)件面積A1）橫骨架式：板格短邊為肋距2）縱骨架式：板格短邊為縱骨間距相當剛性構(gòu)件面積：為相當剛性構(gòu)件面積，即認為柔性構(gòu)件承受（2）折減系數(shù)的計算：1）僅考慮總彎曲應(yīng)力2）考慮總彎曲應(yīng)力和板架彎曲應(yīng)力，取當3、柔性構(gòu)件折減面積的計算（2）折減系數(shù)的計算：2）考慮總彎曲應(yīng)力和板架彎曲應(yīng)力，取當折減掉的面積柔性構(gòu)件有效抗壓面積為。

第二次總彎曲應(yīng)力計算即是要考慮柔性構(gòu)件的有效抗壓面積計算剖面的抗彎幾何特性。計算列表進行。2.2.4總彎曲應(yīng)力的第二次計算1、選取參考軸（1）選取第一次計算的參考軸為參考軸則以第一次計算得到的A、B、C值為基礎(chǔ)，在第一次計算時的參考軸下計算折減掉的面積、以及折減掉的面積對第一次計算時的參考軸的靜矩、慣性矩。折減掉的面積柔性構(gòu)件有效抗壓面積為。表第二次計算剖面抗彎幾何特性計算表第二次計算剖面抗彎幾何特性計算（2）選取第一次計算得到的中和軸為參考軸此時，剖面面積仍為A，但是靜矩B=0，C=I。則以A、B=0以及C=I為基礎(chǔ)，進行剖面折減計算。2、計算柔性構(gòu)件面積

對于受壓構(gòu)件，計算柔性構(gòu)件的面積，先確定剛性構(gòu)件的面積，則其余部分為柔性構(gòu)件面積。圖橫骨架式結(jié)構(gòu)0.5s025s剛性構(gòu)件的寬度：s-肋距（2）選取第一次計算得到的中和軸為參考軸2、計算柔性構(gòu)件面積0.25b0.5b0.5b圖縱骨架式剛性構(gòu)件面積b-縱骨間距即剛性構(gòu)件每側(cè)0.25倍板格短邊作為剛性構(gòu)件處理。甲板去掉剛性構(gòu)件面積的其余部分，為柔性構(gòu)件面積。3、折減系數(shù)計算及折減掉的面積折減掉的面積為負4、計算折減掉面積的靜矩及移軸慣性矩

計算折減掉的總面積、總靜矩、及總的慣性矩0.25b0.5b0.5b圖縱骨架式剛性構(gòu)件面積b-5、計算折減后剖面的有效參與總彎曲的面積、靜矩及慣性矩6、計算中和軸的位置及折減后有效參與總彎曲的面積對中和軸的慣性矩7、計算折減后各個構(gòu)件的總彎曲應(yīng)力5、計算折減后剖面的有效參與總彎曲的面積、靜矩及慣性矩6、計

總彎曲應(yīng)力計算迭代停止：

如果前后兩次計算的應(yīng)力的誤差大于5%：則需要繼續(xù)迭代計算。如果迭代三次后前后兩次的誤差仍大于5%：則說明結(jié)構(gòu)折減嚴重，穩(wěn)定性不滿足，需要修改結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。例題1：縱骨架式甲板，縱骨間距為b=600mm，甲板板厚t=6mm。在總強度第一次計算中，得甲板總彎曲應(yīng)力為。試求（1）計算甲板折減系數(shù)（2）折減掉的面積。解：（1）求歐拉應(yīng)力（2）計算折減系數(shù)(3)確定柔性構(gòu)件面積：扣除剛性構(gòu)件面積，得到柔性構(gòu)件面積。（4）計算半個剖面折減掉的面積總彎曲應(yīng)力計算迭代停止：例題1：縱骨架式甲板，縱骨間距例題2、進行總彎曲應(yīng)力計算。第一次計算得中和軸距離甲板1.74m，整個剖面的慣性矩為，剖面積A=704平方厘米，中垂總彎曲力矩為M=。肋距S=500mm。求總彎曲應(yīng)力。1.74m解：（1）第一次總彎曲應(yīng)力計算（2）計算歐拉應(yīng)力（3）計算折減系數(shù)（4）計算折減掉的面積（5）第二次總彎曲應(yīng)力計算例題2、進行總彎曲應(yīng)力計算。第一次計算得中和軸距離甲板1.71)確定參考軸取第一次所得中和軸為參考軸：折減前：對參考軸慣性矩：折減前面積對參考軸靜矩（即對中和軸）：B=02）計算折減后的剖面面積、中和軸位置和慣性矩面積：靜矩：對參考軸慣性矩：中和軸位置：中和軸1.74m慣性矩：1)確定參考軸取第一次所得中和軸為參考軸：折減前：對參考軸甲板距離新中和軸：第二次計算得總彎曲應(yīng)力：比較前后兩次計算結(jié)果：(6）第三次總彎曲應(yīng)力計算

1)計算折減系數(shù)2）甲板折減掉的面積3）取第二次計算所得中和軸為參考軸，進行第三次總彎曲應(yīng)力計算作業(yè)1甲板距離新中和軸：第二次計算得總彎曲應(yīng)力：比較前后兩次計算結(jié)作業(yè)2：

縱骨架式甲板，縱骨間距為b=700mm，甲板板厚t=6.5mm。在總強度第一次計算中，得甲板總彎曲應(yīng)力為1000。試求（1）計算甲板折減系數(shù)（2）折減掉的面積。*甲板邊板不折減。作業(yè)2：縱骨架式甲板，縱骨間距為b=700mm，甲板2.3船體構(gòu)件多重作用及按應(yīng)力合成校核總縱強度2.3.1船體構(gòu)件多重作用1、船體構(gòu)件載荷的傳遞關(guān)系（1）橫骨架式圖橫骨架結(jié)構(gòu)載荷的傳遞關(guān)系2.3船體構(gòu)件多重作用及按應(yīng)力合成校核總縱強度圖橫骨架載荷的傳遞和構(gòu)件變形：

船底板：自身在水壓力下發(fā)生板格彎曲，肋板和縱桁約束板格的變形，肋板和縱桁發(fā)生變形即板架發(fā)生彎曲，船底板參與船底板架的彎曲。此外，船底船體整體彎曲時，船底板也發(fā)生總縱彎曲，因此船底板參與三種變形：板格彎曲、板架彎曲、總縱彎曲。

縱桁：僅當板格彎曲帶動板架彎曲時，縱桁才發(fā)揮作用，所以縱桁參與板架彎曲和總縱彎曲。載荷的傳遞和構(gòu)件變形：（2）船底縱骨架結(jié)構(gòu)載荷的傳遞關(guān)系圖縱骨架結(jié)構(gòu)載荷的傳遞關(guān)系（2）船底縱骨架結(jié)構(gòu)載荷的傳遞關(guān)系圖縱骨架結(jié)構(gòu)縱骨：縱骨受到來自板格載荷的作用自身發(fā)生彎曲，縱骨將載荷傳遞給肋板和倉壁，引起板架的彎曲變形。縱骨因板架的彎曲也發(fā)生變形，此外，船底船體整體彎曲時，船底縱骨也發(fā)生總縱彎曲，因此船底縱骨的彎曲包括：縱骨自身在水壓力下發(fā)生彎曲、參與板架彎曲，此外，船底縱骨參與總縱彎曲，因此船底縱骨參與三種變形：縱骨參與三種變形：縱骨彎曲、板架彎曲、總縱彎曲?？v骨：縱骨受到來自板格載荷的作用自身發(fā)生彎曲，縱骨將載荷傳遞縱桁：僅當板格彎曲帶動板架彎曲時，縱桁才發(fā)揮作用，所以縱桁參與板架彎曲和總縱彎曲縱桁參與兩種變形：板架彎曲總縱彎曲2、船體構(gòu)件的分類及應(yīng)力成分

根據(jù)構(gòu)件參與變形的形式的多少，可以將構(gòu)件分為不同的種類：構(gòu)件多重作用：船體構(gòu)件在載荷作用下，參與多種變形形式，發(fā)揮多種作

稱為構(gòu)件的多重作用。板格：所有型材的彎曲，都影響板格的變形。板格參與四種變形：板格彎曲、縱骨彎曲、板架彎曲總縱彎曲縱桁：僅當板格彎曲帶動板架彎曲時，縱桁才發(fā)揮作用，所第一類構(gòu)件：僅參與總縱彎曲的構(gòu)件，應(yīng)力成分，例如沒有橫向載荷的甲板板。第二類構(gòu)件：參與板架彎曲和總縱彎曲的構(gòu)件，如船底縱桁和內(nèi)底版，存在兩種應(yīng)力成分：總彎曲應(yīng)力總彎曲應(yīng)力板架彎曲應(yīng)力第三類構(gòu)件：同時參與板架彎曲、總縱彎曲及縱骨彎曲。存在三種應(yīng)力成分：總彎曲應(yīng)力總彎曲應(yīng)力：板架彎曲應(yīng)力：縱骨彎曲應(yīng)力第一類構(gòu)件：僅參與總縱彎曲的構(gòu)件，應(yīng)力成分第四類構(gòu)件：同時參與板架彎曲、總縱彎曲、縱骨彎曲及板格彎曲。指縱骨架式外板。應(yīng)力成分四種：：總彎曲應(yīng)力總彎曲應(yīng)力：板架彎曲應(yīng)力：縱骨彎曲應(yīng)力：板格彎曲應(yīng)力2.3.2應(yīng)力合成方法1、第二類構(gòu)件合成位置：跨中、倉壁處

第四類構(gòu)件：同時參與板架彎曲、總縱彎曲、縱骨彎曲及板格彎曲。圖第二類構(gòu)件應(yīng)力合成:跨中和倉壁位置圖第二類構(gòu)件應(yīng)力合成:跨中和倉壁位置2、第三類構(gòu)件合成位置：縱骨跨中（兩個肋板之間）和肋板位置圖第三類構(gòu)件應(yīng)力迭加總縱彎曲應(yīng)力板架彎曲應(yīng)力縱骨彎曲應(yīng)力2、第三類構(gòu)件圖第三類構(gòu)件應(yīng)力迭加總縱彎曲應(yīng)力板架彎曲3、第四類構(gòu)件合成位置：板架跨中（橫倉壁之間）、縱骨跨中和肋板位置、橫倉壁位置圖第四類構(gòu)件應(yīng)力迭加3、第四類構(gòu)件圖第四類構(gòu)件應(yīng)力迭加2.4船體彎曲剪應(yīng)力計算

計算目的：船長1/4L，存在最大剪應(yīng)力，結(jié)構(gòu)的抗剪能力低于抗彎能力：2.4.1彎曲剪應(yīng)力的一般計算公式說明：寬度方向剪應(yīng)力均布。Sk-剖面上任意位置k一側(cè)面積對中和軸的靜矩。tk-位置k處剖面的寬度kN2.4船體彎曲剪應(yīng)力計算2.4.1彎曲剪應(yīng)力的一般計算公式

以剪應(yīng)力零點作為靜矩零點，即計算靜矩的起始點，計算任意點的靜矩。k0計算船體梁彎曲剪應(yīng)力時，考慮船體梁的實際情況并為了簡化計算，作出如下假定：（1）計算I和靜矩Sk時,不考慮構(gòu)件的折減，因為I/Sk的比值變化不大；（2）平斷面假設(shè)（3）將構(gòu)件均攤到船板上以剪應(yīng)力零點作為靜矩零點，即計算靜矩的起始點，計2.4.2、開式剖面和可化為開式斷面的船體梁剪應(yīng)力計算（1）開式剖面沒有縱倉壁的開口船體2.4.2、開式剖面和可化為開式斷面的船體梁剪應(yīng)力計算（1）

以剪應(yīng)力零點作為靜矩零點，即計算靜矩的起始點，計算任意點的靜矩。k0（2）可化為開式剖面的船體剖面船體橫剖面關(guān)于中縱剖面對稱，剪應(yīng)力作用線沿著中縱剖面，中縱剖面上，剪應(yīng)力等于零。（對稱結(jié)構(gòu)，對稱剖面上，僅存在對稱內(nèi)應(yīng)力）

則中縱剖面，為剪應(yīng)力零點，于是可以在縱中剖面切開，剖面化為開式剖面。k’ukue剪應(yīng)力零點以剪應(yīng)力零點作為靜矩零點，即計算靜矩的起始點，甲板剪切應(yīng)力：舷側(cè)剪切應(yīng)力：線性分布二次分布開式剖面剪應(yīng)力的分布：開式剖面剪應(yīng)力的分布圖甲板剪切應(yīng)力：舷側(cè)剪切應(yīng)力：線性分布二次分布開式剖面剪應(yīng)力的2.4.3、閉式剖面船體梁剪應(yīng)力計算

常見的閉式剖面為：c)大開口雙舷側(cè)結(jié)構(gòu)；d)帶縱壁的油輪剖面。2.4.3、閉式剖面船體梁剪應(yīng)力計算船體的閉口區(qū)域不存在剪應(yīng)力為零點，即無法確定靜矩零點。1、閉式剖面計算的剪應(yīng)力計算公式從沿船長方向取出微元體，長度為dx,環(huán)向坐標為ds,船體的閉口區(qū)域不存在剪應(yīng)力為零點，即無法確定靜矩零點。

由船體微段縱向力的平衡關(guān)系得：整理得：沿s方向積分得：

，上式積分沿著船體橫剖面邊界進行。

剪力流：定義，稱為剪力流。由船體微段縱向力的平衡關(guān)系得：整理得：沿s方向積分得由材料力學(xué)公式：

剪力等于：于是得：代入積分式得：上式z,表示微元面積tds的形心到中和軸的距離，積分表示0-s的面積對中和軸的靜矩，即由材料力學(xué)公式：剪力等于：于是得：代入積分式得：上式上式，q0按開式剖面計算得到的剪力流；q0

表示靜矩起始點位置的剪力流，對于開式剖面，q0=0。

對于閉式剖面，關(guān)鍵是求出計算靜矩起始點的剪力流q0。2、閉式剖面剪力流的計算（1）力的平衡條件開式剖面：按照開式剖面方法計算；閉式剖面：在d點切開，形成開式剖面，按照開式剖面計算剪力流q0;上式，q0按開式剖面計算得到的剪力流；q0表示靜矩起1）具有一個閉室情況閉室（1）的剪力流為：：按照開式剖面計算得到的剪力流；

：閉室1的常剪力流（1）d(2)2）具有兩個閉室情況

閉室2的剪力流為：：閉室2的常剪力流，僅在閉室1和2的公共邊界上。閉室1的剪力流為：:與閉式2相鄰的閉室1的常剪力流，僅出現(xiàn)在閉室2和閉室1的公共邊界上。（1）d開式1）具有一個閉室情況：按照開式剖面計算得到的剪力流；：閉室一般情況，第i格個閉室的剪力流分量可以寫作：

k-與i閉室相鄰的閉室個數(shù)。一般情況，第i格個閉室的剪力流分量可以寫作：k-與i閉室（2）變形協(xié)調(diào)條件

對于船體來說，剪力合力作用線通過剖面的彎曲中心，船體的剖面只發(fā)生彎曲變形，不會出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)變形，即扭率等于零,即：或者將總剪力流代入上式，得（2）變形協(xié)調(diào)條件對于船體來說，剪力合力作用C-積分路徑,沿著閉室邊界進行。僅在閉室的公共邊界上不為零，其余路徑上等于零，因此積分簡化為這里n為閉室的個數(shù)。共有n個位移協(xié)調(diào)條件。-常剪力流沿著閉口路徑的積分-開口剪力流沿著閉室邊界的積分。C-積分路徑,沿著閉室邊界進行。僅在閉室的公共邊界上不令N/I=1,則積分變?yōu)樯鲜綖閙0(s)為閉室上任意點對中和軸的靜矩，靜矩計算的起始點為閉室的切口位置，坐標軸垂直向上。關(guān)于各項的積分說明如下：：積分沿順時針方向進行,當積分方向方向與閉路積分方向相同時,取正號;相反時,取負號。1）切開閉室，施加常剪力流，