海洋工程結構力學-緒論

船舶與海洋工程學院,船舶與海洋工程結構力學,A13海工,白興蘭,聯(lián)系電話：669013Email:baixl0813,三大力學的關系,理論力學：主要研究的是質點，剛體，并且以牛頓定律為主導思想來研究物體。它主要分為三大部分，靜力學，運動學和動力學。理論力學的作用就是把客觀存在的一些現(xiàn)象物理化，是一個物理建模的過程，然后再用數(shù)學的方法來解答。材料力學：主要研究的是桿件，板料、殼體，從理論力學的靜力學發(fā)展而來，因為剛體是不會變形的，所以在理論力學中是不可能解釋變形體的問題的，但實際上物體沒有不發(fā)生形變的，材料力學就是研究物體在發(fā)生形變以后的一些問題，比如說剛度，強度，穩(wěn)定性等結構力學：與材料力學的區(qū)別是研究對象為桿系、板架等結構，材料力學研究對象為構件。,目錄,第1章緒論第2章單跨梁的彎曲理論第3章平面桿系結構計算第4章桁架結構與線狀結構分析第5章能量原理及其應用第6章薄平板的彎曲分析第7章圓筒形薄殼的靜力分析第8章結構穩(wěn)定性分析第9章薄壁桿件的扭轉,專業(yè)介紹,船舶工程與傳統(tǒng)海洋工程分屬不同的學科交通運輸工程和土木工程：船舶結構是由板和板架組成的空間殼體結構，是一個具有六個剛體自由度的板殼結構；傳統(tǒng)海洋工程結構是由桿件組成的空間鋼結構或混凝土結構，鋼結構通過樁基或桶形基礎固定于海底，混凝土結構則借助于自重穩(wěn)定地坐在海床上。選用教材不同船舶結構力學和土木工程專業(yè)的結構力學船舶結構力學以梁板和板殼結構為主；傳統(tǒng)海洋工程結構力學以剛架和桁架結構（桿系結構）；,課程介紹,結構力學研究的對象是外載荷作用下發(fā)生形狀變化的形體或結構。對于船舶與海洋工程結構而言，主要結構形式為梁結構、剛架結構、板架結構：單跨梁、多跨梁和板架梁；剛架、桁架、拱和索結構薄板和組合板（正交異形板）研究內容是不同結構形式對各種荷載的響應內力和變形的分析計算，梁的彎曲和扭轉船的整體彎曲和扭轉；剛架、桁架、拱和索結構的內力和變形計算；薄板的彎曲及穩(wěn)定性分析,保證結構安全、正常工作的三大要素：,強度、剛度、穩(wěn)定性,第1章緒論,1.1學習的目的和任務能夠對船舶與海洋工程結構所必需的強度與剛度做出判斷，為結構設計提供依據(jù)，使結構達到質量輕、材料省并具有足夠的強度與剛度的標準。強度與剛度由結構中的各種應力和變形來衡量。目標：強度校核、結構設計,1.1.1學習目的,船舶具有一定的強度，是指船體結構在正常的使用過程和一定的使用年限中具有不破壞或不發(fā)生過大的變形的能力，以保證船舶能正常地工作。,1.1.2研究內容,研究結構在外載荷作用下的結構響應（受力與變形）。外載荷：重力、浮力、波浪載荷、沖擊力以及慣性力等等。,如：把船整體當作一根梁來研究-即船體梁,將“船體梁”(shiphullgirder)靜置于靜水中或波浪上，計算在船縱向(船長方向)分布的重力與浮力作用下的彎曲變形與應力。,傳統(tǒng)解船體強度的方法：,靜置法,靜置法：將船體梁靜置于靜水和靜置于波浪上，然后按靜水效應，研究船舶在重力和浮力作用下發(fā)生的彎曲變形和應力。,1.1.2研究內容,1.1.3學習目的,通過學習要掌握在給定的外力作用下如何確定結構中的應力與變形，包括研究受壓構件的穩(wěn)定性問題。,學習目的,1)具有對結構進行強度校核的能力,2)具有進行結構設計的能力,即對于已經設計好的或建造好的結構，在結構尺寸已知的條件下，在給定的外載荷或工況下，算出結構的應力與變形，并與許用值比較，從而判斷結構的強度是否足夠。,即對于將要設計建造的結構，在已知結構的外力及許用應力(或變形)的情況下，根據(jù)結構中算得的應力(或變形)的大小，定出結構的尺寸。,如：“船舶結構力學”,“船舶強度與結構設計”,“船舶振動”,作為基礎,1.2結構的組成,結構是由不同類型的構件組合而成的幾何不變體系。結構在實現(xiàn)其功能的過程中始終保持構件之間的相對位置不變直至結構破壞（剛體移動或構件之間的相對位置發(fā)生變化），這是結構與機構的本質區(qū)別。幾何特征分類：桿系結構、板殼結構（注意板和殼的區(qū)別）幾何組成及承載形式分類：平面結構、空間結構,1.2結構的組成,桿系結構：桿、梁、索和拱，主要區(qū)別體現(xiàn)在受力特征上板殼結構：幾何特征是一個方向的尺寸遠遠小于其他兩個方向的尺寸；板主要承受沿板厚方向的荷載，以彎矩和剪力傳遞荷載，如樓板和船體；殼則主要以殼曲面內的壓力傳遞荷載，如筒形Spar等。板架結構：以連續(xù)梁組成的平面交叉梁系幾何組成及承載形式分類：平面結構、空間結構,1.2.1新型的船舶與海洋工程結構物多體船：把兩個或更多的船體橫向以甲板固定在一起,高速船,水翼型高速船：船身底部有支架，裝上水翼。當船的速度逐漸增加，水翼提供的浮力會把船身抬離水面，從而大為減少水的阻力和增加航行速度。,大型液化氣船,1.2.2傳統(tǒng)的采油平臺：導管架鉆井平臺,新型海洋海洋結構物,活動式鉆井平臺：自升式鉆井平臺,自升式鉆井平臺,浮式生產系統(tǒng)（Floatingproductionstorageandoffloadingsystem,簡稱FPSO）,軟剛臂系泊浮式生產系統(tǒng),張力腿平臺TLP,Spar平臺一種用于深水的生產平臺,半潛式平臺1.鉆井平臺2.生產平臺3.施工平臺,海上風力發(fā)電機,海洋工程結構的發(fā)展歷程有兩個基本特點：一、從淺水逐漸向深水發(fā)展，從最初不足10m水深發(fā)展到2000m以上更深的海域作業(yè)；二、固定式結構向順應式結構發(fā)展。,桿系結構鳥巢,索結構懸索橋,1.3荷載特征與主要失效形式,1.3.1荷載特征：靜態(tài)荷載：不隨時間而變化，包括水壓力、自重等緩慢變化載荷：隨時間緩慢變化，包括波浪分布壓力、液體貨物的晃動等快速變化載荷：隨時間快速變化或載荷變化呈短周期變化，稱之為沖擊載荷。船舶與海洋工程結構力學主要討論結構在靜載作用下的響應。,1.3荷載特征與主要失效形式,1.3.2失效模式：失效：實際上是衡準準則的統(tǒng)稱。損傷：由局部屈服或屈曲形成的過度永久變形以及由于疲勞或局部脆裂引起的裂紋。破壞：當結構損傷得很嚴重，以致它不能再履行其功能時，則認為結構受到破壞。斷裂失效模式：疲勞斷裂、脆性斷裂失效模式延性失效模式：拉伸屈服、壓縮失穩(wěn)、遞增破壞,1.3荷載特征與主要失效形式,1.3.3船舶強度破壞的類型,1.總縱強度（船體梁-shiphullgirder）,總縱強度：將船作為一個整體（船體梁）來研究的強度問題。在分布重力和浮力共同作用下船體主要為應力與彎曲變形，當船舶順浪或逆浪航行，且波長與船長大致相等時，會出現(xiàn)“中拱”和“中垂”兩種狀況。,Hogging中拱sagging中垂,傳統(tǒng)研究方法靜置法,現(xiàn)常用研究方法波浪理論,1.3.3船舶強度破壞的類型,2.橫向強度(transversestrength),橫向強度：研究橫向構件（如橫梁、肋骨、肋板等）的強度問題。,1.3.3船舶強度破壞的類型,3.局部強度(localstrength),局部強度：研究局部構件（船底外板、底縱桁等）的強度問題。,1.3.3船舶強度破壞的類型,4.扭轉問題(torsion),扭轉問題：船在斜浪上航行，經常與波浪斜交，導致船體發(fā)生扭轉，因此也就存在扭轉問題。,1.3.3船舶強度破壞的類型,5.屈服強度(Buckling),穩(wěn)定性問題：船體在總彎曲時船體受壓的構件會因為受壓過度而喪失穩(wěn)定性。,1.3.3船舶強度破壞的類型,6.疲勞強度(fatigue),疲勞強度是指金屬材料在無限多次交變載荷作用下而不破壞的最大應力稱為疲勞強度或疲勞極限。實際上，金屬材料并不可能作無限多次交變載荷試驗。,1.3.3船舶強度破壞的類型,7.應力集中(stressconcentration),應力集中：船體的不連續(xù)部位在交變載荷作用下，導致這些部位的應力明顯大于名義應力。,1.3.3船舶強度破壞的類型,8.船舶碰撞(collision),船舶碰撞：船舶之間或船舶與其它海洋結構物的碰撞，導致船體受損。,1.4研究對象,船舶結構力學：梁、板和板架為主；,土木工程結構力學：梁、剛架、索、拱等桿系結構為主；,結構,荷載：力學模型為集中荷載和分布荷載兩大類荷載類型主要是重力、浮力、風、浪、流、冰和地震荷載等。,1.5結構的屬性,結構的屬性即結構承載能力的表現(xiàn)形式，包括：強度：結構不發(fā)生因塑性變形（屈服）或材料破壞而導致結構失效；剛度：結構不發(fā)生影響結構功能實現(xiàn)的變形或失穩(wěn)。,1.6計算簡圖,結構力學中的計算簡圖，是指實際結構與計算模型之間的轉化，包括：結構簡化：簡化的原則是結構變形等效幾何荷載簡化：集中荷載與分布荷載載荷邊界條件簡化：支座簡化約束,1.6計算簡圖,研究方法：力法ForceMethod位移法DisplacementMethod能量法EnergyMethod有限元FEM,1.6計算簡圖,船舶結構主要構件有兩類：,骨架包括橫梁、肋骨、縱骨、縱桁、扶強材、垂直桁、水平桁、支柱等,板包括船體外板、內底板、各層甲板、縱橫艙壁、平臺等,支撐,骨架一般呈細長型，在船舶結構中成為“桿件”,在船舶結構中絕大多數(shù)“桿”的力學特征是“梁”承受彎曲，但在船舶結構力學中習慣上稱為“桿”。,相互連接的桿件成為“桿件系統(tǒng)”，簡稱“桿系”,船舶與海洋工程結構力學主要研究內容：“桿”及“桿系”結構的計算和板的計算,1.6計算簡圖,在研究船體板的問題時，通常把四周由縱橫骨架支持的那一部分作為研究對象即船體中的板簡化為具有矩形周界的平板,板上的荷重分兩類,第一類是垂直于板面的荷重：如作用于板上的水壓力,第二類是位于板平面的荷重：如在船體總彎曲時作用于船體板平面的應力,連續(xù)梁、剛架和板架是船體結構中三種典型的桿系,1、連續(xù)梁,上甲板縱骨，在上甲板的骨架中，縱骨的尺寸最小，它穿過強橫梁并通過橫艙壁在縱向保持連續(xù)。在計算縱骨時認為強橫梁有足夠的剛性支持縱骨，從而可作為縱骨的剛性支座。縱骨在橫艙壁處則作為剛性固定端，這樣就得到圖中的計算圖形，即連續(xù)梁.,下面以一般的遠洋干貨船為例，簡化典型的桿系介紹如下：,2、甲板,在上甲板(或下甲板)的骨架中，甲板縱桁與艙口端橫梁尺寸最大，在計算時?？陕匀テ渌羌軐λ鼈兊挠绊?，于是在研究甲板縱桁與艙口端橫梁時就得到了一個井字形的平面桿系，如圖A。此種桿系因外載荷垂直于桿系平面而發(fā)生彎曲，稱為“交叉梁系”(grillage)或“板架”。如果艙口端橫梁中點有支柱或半艙壁，就又可化為圖1-9(b)中的板架,3、剛架,