船體強度 第四章 船體扭轉(zhuǎn)強度計算

船體強度第四章船體扭轉(zhuǎn)強度計算第1頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四

3.1作用于船體的扭轉(zhuǎn)力矩由波浪引起的扭轉(zhuǎn)力矩:不論在靜水里或在波浪中，船體受到扭轉(zhuǎn)的情形很多,對于這些扭轉(zhuǎn)作用，普通船體一般都具有充分大的扭轉(zhuǎn)剛性和扭轉(zhuǎn)強度.

可是對于一些特殊船體，例如礦石船、集裝箱船等這些具有長大甲板開口的船體，它們的扭轉(zhuǎn)剛性和扭轉(zhuǎn)強度就不容忽視了。第2頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四扭轉(zhuǎn)強度計算的必要性1、船舶大開口引起船舶抗扭剛度減小甲板開口船舶如下圖所示：

第3頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四扭轉(zhuǎn)強度計算的必要性

甲板面積嚴重損失，開口寬度b與船舶寬度B比值可達到80%。開口和閉口的自由扭轉(zhuǎn)慣性矩按下式計算開口慣性矩：閉口慣性矩：第4頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四扭轉(zhuǎn)強度計算的必要性

開口后，扭轉(zhuǎn)慣性矩顯著降低。因此大開口船舶容易出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)剛度不足發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形破壞。2、提高扭轉(zhuǎn)剛度的結(jié)構(gòu)措施第5頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四扭轉(zhuǎn)強度計算的必要性

第6頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四扭轉(zhuǎn)強度計算的必要性

3、船體扭轉(zhuǎn)強度計算的方法與步驟

1）確定扭矩產(chǎn)生的原因，計算扭矩；

2）根據(jù)橫剖面結(jié)構(gòu)的布置，確定扭轉(zhuǎn)剛度嚴重消弱的剖面，計算該剖面的船體抗扭慣性矩；

3）計算扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力計算模型：船體梁模型，按照總強度第一次總彎曲應(yīng)力的計算方法，將船體簡化為梁模型，計算剖面的抗扭特性。第7頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四作用在船體上的扭轉(zhuǎn)外力

船舶斜浪航行引起的扭轉(zhuǎn)力矩

計算假定：不考慮波浪的動效應(yīng)，計算結(jié)果為靜波浪扭矩。波長與船長之間關(guān)系為：第8頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四作用在船體上的扭轉(zhuǎn)外力

圖4-1.船舶斜浪航行受力圖第9頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四作用在船體上的扭轉(zhuǎn)外力

1、垂向力引起的扭矩前體浮心距離中縱剖面為e,排水量為V；后體浮心距離中縱剖面為e。在船中的扭矩為::前體排水量。單位長度扭矩的計算：考慮單位船長，重力作用線通過中縱剖面，但是浮力的作用線離開中縱剖面為距離e,如下圖第10頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四作用在船體上的扭轉(zhuǎn)外力

圖單位長度浮力作用線偏離中縱剖面第11頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四作用在船體上的扭轉(zhuǎn)外力

單位長度的扭矩為：單位長度船舶浮力作用線到中縱剖面的距離；：單位長度的浮力：單位長度的扭矩。計算斜浪航行的波浪扭矩關(guān)鍵是計算每個橫剖面上的波面線,即確定波面與橫剖面的交線。第12頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四作用在船體上的扭轉(zhuǎn)外力

尾端點為自由端，扭矩等于零。則距離尾端點首端點扭矩為零，即船舶的扭矩曲線和分布扭矩曲線為：第13頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四作用在船體上的扭轉(zhuǎn)外力

圖

波浪扭矩曲線的和分布扭矩曲線第14頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四作用在船體上的扭轉(zhuǎn)外力

扭矩曲線的斜率等于分布扭矩曲線：第15頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四作用在船體上的扭轉(zhuǎn)外力

大開口船舶水平力引起的扭矩

由于扭轉(zhuǎn)中心離開重心G較遠，扭轉(zhuǎn)中心在橫剖面結(jié)構(gòu)的下方，水平力：兩舷壓力差引起水平扭矩，如下圖:微段上壓力差的合力作用中心；：作用中心線到扭轉(zhuǎn)中心的距離。水平力引起的單位長度的扭矩為：第16頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四作用在船體上的扭轉(zhuǎn)外力

圖4-4.吃水不對稱引起的壓力差第17頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四作用在船體上的扭轉(zhuǎn)外力

單位長度的總扭矩為垂向力單位長度扭矩和水平力單位長度扭矩疊加，即單位長度扭矩=第18頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四1、波的方向和船舶前進方向角度一定時，扭矩隨船的前進速度稍有增加。2、波高一定時，有效波長和船長相等時，船的方向和波的方向間夾角A在0-60度范圍內(nèi)，扭矩大致與A成比例增加。3、扭矩一般比彎矩小，通常不超過同一狀態(tài)下彎矩的10%，但在橫搖時扭矩將增加。4、斜浪中船舶動扭矩大約為同一狀態(tài)下的靜扭矩的1/3.第19頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四作用在船體上的扭轉(zhuǎn)外力船舶傾斜產(chǎn)生的扭矩(貨物引起的扭矩)

船舶傾斜由于裝載不對稱引起，船舶在航行過程中，由于風(fēng)浪作用船舶發(fā)生劇烈運動，貨物移動，導(dǎo)致裝載不對稱引起船舶出現(xiàn)傾角，船舶在有橫傾角的狀態(tài)保持平衡狀態(tài)：即全船重量=排水量，橫傾力矩=復(fù)原力矩。產(chǎn)生扭矩的原因：雖然總體上船舶滿足平衡狀態(tài)，但是單位長度上傾斜力矩與復(fù)原力矩不相等，其存在差額，該差額引起扭矩。第20頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四船舶傾斜引起的扭矩

圖.船舶傾斜后重力作用線到浮力作用線的距離e第21頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四船舶傾斜引起的扭矩

:船舶傾斜后的復(fù)原力矩,:船舶單位長度的排水量;:單位長度上浮力作用線到重力作用線的距離。第22頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四傾斜扭矩通常比波浪引起的扭矩要小得多，一般不予計算，只對內(nèi)河船、駁船和浮吊等有時才考慮。第23頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四船舶搖擺引起的扭矩 船舶搖擺引起的扭矩

船舶在波浪上橫搖時，橫搖加速度引起慣性力，產(chǎn)生扭矩。第24頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四船舶搖擺引起的扭矩

圖

橫搖運動產(chǎn)生的慣性力：離心力和切向力第25頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四船舶搖擺引起的扭矩

扭轉(zhuǎn)軸：通過全船重心的縱軸。1、離心力對于扭轉(zhuǎn)軸的回轉(zhuǎn)力矩=02、切向慣性力對于扭轉(zhuǎn)軸的傾斜力矩：橫搖加速度引起的單位長度的傾斜力矩第26頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四船舶搖擺引起的扭矩

單位長度整個剖面質(zhì)量對于扭轉(zhuǎn)軸的質(zhì)量慣性矩。3、船舶傾斜角時，浮力作用產(chǎn)生的復(fù)原力矩船舶傾斜角時，浮力作用產(chǎn)生復(fù)原力矩c和傾斜力矩k在單位長度上是不相等的，其差值（k-c）引起單位長度的扭矩。距離尾端x處剖面上的扭矩為：第27頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四船舶搖擺引起的扭矩

4、扭矩曲線的特點尾端扭矩=0首端扭矩為：船舶靜水中橫搖的運動方程為:第28頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四船舶搖擺引起的扭矩

GM為初穩(wěn)性高，M為橫穩(wěn)心；G重心；I全船的極慣性矩。傾斜力矩復(fù)原力矩第29頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四船舶搖擺引起的扭矩

全船轉(zhuǎn)動平衡條件，得：即橫搖扭矩曲線端部為零。第30頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四船舶搖擺引起的扭矩

5、橫搖扭矩曲線的計算和繪制（1）計算單位長度剖面的慣性矩

（3）給定橫搖角，計算浮力引起的復(fù)原力矩c：（2）積分得當(dāng)每個站段的轉(zhuǎn)動慣量得曲線2：曲線1曲線2曲線3第31頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四船舶搖擺引起的扭矩

曲線4：（4）積分得當(dāng)每個站段的浮力引起的復(fù)原力矩：：在曲線的右端，船首部：（5）轉(zhuǎn)動慣量曲線2擴大，得到慣性力矩曲線第32頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四船舶搖擺引起的扭矩

曲線5=曲線2第33頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四船舶搖擺引起的扭矩

（6）橫搖扭矩為曲線5與曲線4之差：曲線6第34頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四船舶搖擺引起的扭矩

結(jié)語:總橫搖慣性扭矩大約為斜浪波浪扭矩的30%，因此可在得到波浪扭矩后，引入系數(shù)1.3，放大波浪扭矩作為考慮橫搖慣性力的扭矩。第35頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四扭轉(zhuǎn)強度計算的標準狀態(tài)

(1)船體無橫傾;(2)航向角為45度;(3)取坦谷波,有效波長等于船長，波高等于-有效波長。（4）計算時，分別取波峰在船中和波谷在船中。第36頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四小結(jié)

小結(jié)：（1）引起的扭矩的因素：斜浪扭矩：斜浪航行，前體和后體浮力分布反對稱，引起扭矩；貨物扭矩：貨物移動，引起船舶重心偏移，單位長度上，重量力矩和浮力力矩不完全相同，存在差額，該差額引起貨物扭矩；第37頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四波浪扭矩及貨物扭矩的實用(規(guī)范)公式

1、海船波浪扭矩及貨物扭矩公式通常，在校核大開口集裝箱船強度時都采用規(guī)范規(guī)定的外力和許用應(yīng)力。我國《海船規(guī)范》和英國《勞氏規(guī)范》對船中剖面處的波浪扭矩規(guī)定按下式計算:第38頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四貨物扭矩是集裝箱重量橫向分布不均、壓載不均或燃料等消耗物橫向分布不均所引起?！逗４?guī)范》規(guī)定按下式計算：第39頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四內(nèi)河船波浪扭超及貨物扭矩公式我國《內(nèi)河集裝箱船建造與檢驗暫行規(guī)定》(1992)對內(nèi)河船波浪扭矩規(guī)定如下:第40頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四內(nèi)河集裝箱船由集裝箱、壓載或燃料等橫向分布不均引起的貨物扭矩按下式計算:(kN.m)式中符號意義同式(4.2.22)。MTC在船兩端為零，由兩端向船中直線分布。第41頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四扭轉(zhuǎn)強度計算的必要性

橫搖扭矩：船舶橫搖運動的慣性力引起扭矩。（2）總扭矩：總扭矩=波浪扭矩+貨物扭矩+橫搖扭矩（3）斜浪扭矩占總扭矩的70%，如果貨物沒有偏移，則貨物扭矩為零，橫搖慣性力引起的扭矩占斜浪扭矩的30%。第42頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四普通船體的扭轉(zhuǎn)強度和剛性

船體是復(fù)雜的構(gòu)造物，在考慮它的扭轉(zhuǎn)強度和剛性時，可以把它作為一個巨大的薄壁斷面桿件來處理。由于船體結(jié)構(gòu)還隨著船舶種類而異，從對扭轉(zhuǎn)的彈性作用的觀點，根據(jù)有沒有甲板開口和開口大小，把他們分為兩類：一類就是幾乎沒有甲板開口的油船和具有普通艙口的貨船；另一類就是礦石船和集裝箱船，他們是在甲板上具有長大艙口的特殊專用船。這兩類船對扭矩的作用有顯著的不同。前者的船體構(gòu)造屬于普通船體，后者的船構(gòu)造屬于長大艙口的船體。第43頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四1、自由扭轉(zhuǎn)圣維南扭矩第44頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四2、自由扭轉(zhuǎn)式中是與開口剖面相似的剪應(yīng)力；是沿單連域周邊均勻分布的剪應(yīng)力，稱為布里特(Bredt)剪應(yīng)力扭率第45頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四3、約束扭轉(zhuǎn)雙力矩翹曲扭矩外扭矩第46頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四，普通船體的扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力一般是很小的，所以具有充分的扭轉(zhuǎn)強度。以上的計算是把船體剖面作為沒有開口的閉式剖面的，實際的船是有艙口的，他們的扭轉(zhuǎn)強度和剛性要降低一些。第47頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四一般船體約束扭轉(zhuǎn)理論概述第48頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四

當(dāng)薄壁梁同時發(fā)生彎曲和扭轉(zhuǎn)時，則正應(yīng)力為

MY，IZZ—分別為對Y軸的彎矩和慣性矩；MZ,IYY—分別為對Z軸的彎矩和慣性矩。第49頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四

在船體梁扭轉(zhuǎn)中，特別感興趣的是翹曲正應(yīng)力，扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力一般很小。如要計算翹曲剪應(yīng)力，可像普通粱彎曲理論中做的一樣來考慮。

閉口剖面部分，可假想地將各閉室切開來進行計算(見圖4-23(b））可以由切口處兩對應(yīng)面的相對翹曲位移為零求得開口剖面部分(如圖4-23(a)的艙口部分）第50頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四剪力和扭矩同時作用時，總剪應(yīng)力為QY,QZ分別為水平和垂直方向剪力第51頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四大開口船舶彎扭組合分析的有限梁法應(yīng)用有限梁法進行大開口船舶彎扭強度分