船體部強(qiáng)度計(jì)算[上課教學(xué)]

1、船體強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)船體強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 天津大學(xué)建筑工程學(xué)院船舶工程系天津大學(xué)建筑工程學(xué)院船舶工程系 1教學(xué)類別 第三章第三章 船體結(jié)構(gòu)局部強(qiáng)度計(jì)算船體結(jié)構(gòu)局部強(qiáng)度計(jì)算 局部強(qiáng)度：指局部結(jié)構(gòu)抵抗局部載荷而不破壞的能力。局部強(qiáng)度：指局部結(jié)構(gòu)抵抗局部載荷而不破壞的能力。 局部載荷：倉(cāng)室貨物、甲板上浪、設(shè)備重量及設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)載荷，舷外水壓力等。局部載荷：倉(cāng)室貨物、甲板上浪、設(shè)備重量及設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)載荷，舷外水壓力等。 局部結(jié)構(gòu)：甲板板架、船底板架、肋骨框架、倉(cāng)壁結(jié)構(gòu)、板格、縱骨、橫梁局部結(jié)構(gòu)：甲板板架、船底板架、肋骨框架、倉(cāng)壁結(jié)構(gòu)、板格、縱骨、橫梁 等。等。 本章介紹船舶局部強(qiáng)度計(jì)算的有關(guān)內(nèi)容本章介紹船舶局部強(qiáng)

2、度計(jì)算的有關(guān)內(nèi)容: :(1)(1)建立模型建立模型;(2);(2)載荷計(jì)算載荷計(jì)算;(3);(3) 簡(jiǎn)化計(jì)算方法簡(jiǎn)化計(jì)算方法;(4);(4)有限單元法問(wèn)題。有限單元法問(wèn)題。 3.1 3.1 局部強(qiáng)度計(jì)算的力學(xué)模型局部強(qiáng)度計(jì)算的力學(xué)模型 力學(xué)模型：力學(xué)模型：反映結(jié)構(gòu)的實(shí)際反映結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力特點(diǎn)受力特點(diǎn)和和變形特征變形特征而又便于計(jì)算的簡(jiǎn)化的結(jié)構(gòu)而又便于計(jì)算的簡(jiǎn)化的結(jié)構(gòu) 系統(tǒng)，稱為力學(xué)模型或計(jì)算模型。系統(tǒng)，稱為力學(xué)模型或計(jì)算模型。 3.1.13.1.1建立力學(xué)模型的原則建立力學(xué)模型的原則 2教學(xué)類別 （1 1）計(jì)算方法）計(jì)算方法 手工計(jì)算：則模型應(yīng)該簡(jiǎn)化較大；手工計(jì)算：則模型應(yīng)該簡(jiǎn)化較大； 計(jì)算機(jī)

3、求解：則可取復(fù)雜的計(jì)算模型計(jì)算機(jī)求解：則可取復(fù)雜的計(jì)算模型 （2 2）結(jié)構(gòu)的重要性）結(jié)構(gòu)的重要性 破壞后果嚴(yán)重的船舶，直接或間接損失大的船舶，則應(yīng)考慮較復(fù)破壞后果嚴(yán)重的船舶，直接或間接損失大的船舶，則應(yīng)考慮較復(fù) 雜的計(jì)算模型；雜的計(jì)算模型； （3 3）設(shè)計(jì)階段）設(shè)計(jì)階段 方案設(shè)計(jì)階段：技術(shù)資料不全，則模型可取簡(jiǎn)單；在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，應(yīng)方案設(shè)計(jì)階段：技術(shù)資料不全，則模型可取簡(jiǎn)單；在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，應(yīng) 該取復(fù)雜的計(jì)算模型，盡量反映結(jié)構(gòu)的實(shí)際。該取復(fù)雜的計(jì)算模型，盡量反映結(jié)構(gòu)的實(shí)際。 3.1.23.1.2力學(xué)模型尺寸的確定力學(xué)模型尺寸的確定 1 1、板架模型尺寸：縱向取橫倉(cāng)壁之間的距離，寬度方向取兩舷、

4、板架模型尺寸：縱向取橫倉(cāng)壁之間的距離，寬度方向取兩舷肋骨中和軸肋骨中和軸 與橫向構(gòu)件中和軸的交點(diǎn)。與橫向構(gòu)件中和軸的交點(diǎn)。 3教學(xué)類別 圖、圖、 橫向框架確定橫向框架確定 2 2、肋骨框架尺寸、肋骨框架尺寸 模型尺寸的起始位置：取肋板中和軸與肋骨中和軸的交點(diǎn)，甲板取肋骨中和模型尺寸的起始位置：取肋板中和軸與肋骨中和軸的交點(diǎn)，甲板取肋骨中和 軸與橫梁中和軸的交點(diǎn)。軸與橫梁中和軸的交點(diǎn)。 4教學(xué)類別 3.1.3 3.1.3 結(jié)構(gòu)邊界約束條件結(jié)構(gòu)邊界約束條件 1、常見支座形式的表示方法 （1）自由支持支座： （2）剛性固定： （3）彈性支座： （4）彈性固定支座： （5）滑動(dòng)支座： 5教學(xué)類別 2

5、2、局部結(jié)構(gòu)支座的確定、局部結(jié)構(gòu)支座的確定 （1 1）縱骨邊界條件）縱骨邊界條件 圖、船底縱骨強(qiáng)度計(jì)算模型圖、船底縱骨強(qiáng)度計(jì)算模型 邊界條件：?jiǎn)慰缈v骨兩端剛性固定。邊界條件：?jiǎn)慰缈v骨兩端剛性固定。 6教學(xué)類別 甲板縱骨穩(wěn)定性計(jì)算邊界約束：甲板縱骨穩(wěn)定性計(jì)算邊界約束： 圖、圖、 甲板縱骨變形及約束條件甲板縱骨變形及約束條件 邊界條件邊界條件: :穩(wěn)定性分析時(shí)兩端自由支持。穩(wěn)定性分析時(shí)兩端自由支持。 7教學(xué)類別 （2）舷側(cè)肋骨上下約束條件 圖、圖、 舷側(cè)肋骨變形及約束條件舷側(cè)肋骨變形及約束條件 兩端簡(jiǎn)支梁,端部2施加單位力矩時(shí),引起的端部2轉(zhuǎn)角為: EI l 3 l EI k 3 抗轉(zhuǎn)剛度為 EI

6、 l 3 8教學(xué)類別 無(wú)甲板載荷，無(wú)載荷跨簡(jiǎn)化為受載荷結(jié)構(gòu)的約束。甲板橫梁給肋骨提供 彈性抗轉(zhuǎn)約束,抗轉(zhuǎn)剛度系數(shù)為 抗轉(zhuǎn)剛度為： l EI k 3 （3）多跨梁：無(wú)載荷跨轉(zhuǎn)化為受載跨的約束 l EI l I 單位長(zhǎng)度的慣性矩,稱為線剛度。 線剛度 9教學(xué)類別 圖、 多跨梁簡(jiǎn)化圖 （4）板架邊界條件 多跨梁：無(wú)載荷跨轉(zhuǎn)化為受載跨的約束 10教學(xué)類別 1）倉(cāng)壁處：一般為剛性固定 2）舷側(cè)：自由支持 （5）板架構(gòu)件之間的相互支持關(guān)系： 交叉構(gòu)件與主向梁 ，I ，i 假定交叉構(gòu)件（長(zhǎng)構(gòu)件）支持主向梁，單位面積載荷為q。k 點(diǎn)的位移為 R R k k 交叉構(gòu)件 l L 主向梁 11教學(xué)類別 Ei Rl

7、Ei lQ y 48384 5 33 1 1 短梁中點(diǎn)k : 2 1 L qlQ 短梁支持載荷 長(zhǎng)梁中點(diǎn)k ： EI RL EI LQ y 48384 5 33 2 2 2 2 l qLQ 長(zhǎng)梁支持載荷： 則 21 yy 1 1 16 5 qlLR支反力R為： iL Il 3 3 12教學(xué)類別 iL Il 3 3 0R 長(zhǎng)梁支持短梁 0R 短梁支持長(zhǎng)梁 當(dāng) max RR, qlLRR 16 5 lim max 長(zhǎng)梁支持短梁的最大支持力： 因?yàn)橹С株P(guān)系由 決定，調(diào)整比值 ，可以改變支持關(guān)系。相互支持 條件為 1 1 3 3 iL Il 13教學(xué)類別 交叉構(gòu)件的計(jì)算模型為： 3.1.4結(jié)構(gòu)模型化的

8、處理 （1）利用對(duì)稱性 （2）等效剛度的利用 3.1.5 載荷模型 1、載荷的確定原則 （1）確定載荷的大小及性質(zhì)：動(dòng)力、靜力、常規(guī)、偶然作用 （2）載荷作用在哪些構(gòu)件上 （3）載荷的組合 橫梁 縱桁 14教學(xué)類別 2、不同結(jié)構(gòu)部位的載荷： （1）甲板載荷：甲板貨物、甲板上浪 （2）倉(cāng)內(nèi)載荷：載貨和船底水壓力組合 （3）舷側(cè)水壓力：吃水加上半波高 2 B h dh d-吃水，hB-波高。 3、結(jié)構(gòu)構(gòu)件的幾何抗彎特性計(jì)算：帶板寬度 帶板 帶板 CCS關(guān)于帶板面積規(guī)定： fbtA10 3/2 )/(3 . 0blf 縱骨： l：構(gòu)件跨度，b:縱骨間距；肋板：構(gòu)件跨度，b為肋距。 d 2/ B h

9、l 15教學(xué)類別 3.3.2甲板結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算 載荷確定：規(guī)范中規(guī)定的計(jì)算壓頭 縱桁帶板寬度：)6/,(lbMinbe p設(shè)計(jì)載荷，不小于8.5kPa 16教學(xué)類別 甲板構(gòu)件計(jì)算。對(duì)于露天甲板，橫梁剖面模數(shù)W按照下式計(jì)算 2 BshlW B船舶型寬；s橫梁間距；h計(jì)算壓頭；l橫梁跨度 。 1、具有艙口的甲板板架強(qiáng)度計(jì)算 橫倉(cāng)壁 艙口縱桁力學(xué)模型 艙口端梁力學(xué)模型： 1）縱桁處剛性固定：載荷對(duì) 稱，結(jié)構(gòu)對(duì)稱，轉(zhuǎn)角為零； 2）舷側(cè)位移為零，轉(zhuǎn)角不為 零。 3）承受載荷為來(lái)自縱桁的反 力R。 艙口縱桁力學(xué)模型： 1）橫艙壁處剛性固定 2）艙口強(qiáng)橫梁自由支持縱桁 3）承受均布載荷 圖、倉(cāng)口甲板結(jié)構(gòu) 倉(cāng)口

10、區(qū)強(qiáng)橫梁 艙口短縱桁倉(cāng)口縱桁 17教學(xué)類別 艙口縱桁載荷： 縱桁支撐寬度： hbBq)( 2 1 110 11 bB hbBq)2/( 2 1 111 （中縱剖面有半艙壁時(shí)） 艙口區(qū)強(qiáng)橫梁計(jì)算模型：艙口區(qū)強(qiáng)橫梁計(jì)算模型： 強(qiáng)橫梁剖面，肋骨也為強(qiáng)肋骨，互相約束轉(zhuǎn)角。故強(qiáng)橫梁舷側(cè)為彈 性固定約束，縱桁對(duì)其提供自由自持。 圖、強(qiáng)橫梁計(jì)算模型圖、強(qiáng)橫梁計(jì)算模型 k 18教學(xué)類別 3.43.4結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限元計(jì)算結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限元計(jì)算 3.4.1 3.4.1 計(jì)算原理計(jì)算原理 3.4.2 3.4.2 有限元計(jì)算奇異性處理有限元計(jì)算奇異性處理 剛度矩陣的奇異性：剛度矩陣的奇異性：指有限元計(jì)算時(shí)，由于單元的處理不

11、當(dāng)或者邊界約束處指有限元計(jì)算時(shí)，由于單元的處理不當(dāng)或者邊界約束處 理不合理，使結(jié)構(gòu)總體剛度矩陣行列式的值為零，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)位移趨于無(wú)理不合理，使結(jié)構(gòu)總體剛度矩陣行列式的值為零，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)位移趨于無(wú) 限大限大, ,引起計(jì)算失敗。引起計(jì)算失敗。 1 1、外部奇異性處理：排除剛體位移、外部奇異性處理：排除剛體位移 圖、 矩形框接結(jié)構(gòu)奇異性的解決方案問(wèn)題 施加外部約 束 施加內(nèi)部 約束 19教學(xué)類別 圖、圖、 共面節(jié)點(diǎn)共面節(jié)點(diǎn) 2 2、內(nèi)部奇異性處理：局部奇異性處理、內(nèi)部奇異性處理：局部奇異性處理 共面節(jié)點(diǎn)：當(dāng)數(shù)個(gè)桿件在平面內(nèi)一點(diǎn)相交時(shí)，稱為共面節(jié)點(diǎn)。共面節(jié)點(diǎn)：當(dāng)數(shù)個(gè)桿件在平面內(nèi)一點(diǎn)相交時(shí)，稱為共面

12、節(jié)點(diǎn)。 共面節(jié)點(diǎn)法向如果沒(méi)有剛度貢獻(xiàn)，則引起剛度矩陣的奇異性。共面節(jié)點(diǎn)法向如果沒(méi)有剛度貢獻(xiàn)，則引起剛度矩陣的奇異性。 A為共面節(jié)點(diǎn) B節(jié)點(diǎn)法向沒(méi) 有剛度貢獻(xiàn) 20教學(xué)類別 3.5 實(shí)際工程算例 以沿海多用途甲板駁船為例介紹。 1、甲板板架強(qiáng)度計(jì)算 （1 1）計(jì)算方案）計(jì)算方案 甲板載荷：甲板載荷：5 5噸噸/ /每平方米每平方米 N o . 1 壓載艙（右）N o . 2 壓載艙N o . 3 壓載艙 尾錨絞車艙（左） N o . 1 壓載艙（左） 廚 房 1 4 . 4 m 2 淡水艙 尾錨絞車艙（右） 燃油艙 4 6 . 0 8 m 3 1 0 . 4 m 3 機(jī) 艙 污 油 水 艙 空

13、艙 2 3 m 3 餐廳 3 4 . 5 m 2 儲(chǔ)物 1 4 . 4 m 2 1 2 m 2 TV 2 0 m 2 浴廁室 休息室 2 1 . 6 m 2 T V 值班室 焊接工作站管線張緊器 重力水柜 甲板室頂 B L 設(shè)計(jì)水線 會(huì)議室 儲(chǔ)物間 充放電 淡水 重力水柜 淡水 重力水柜 海水 海水 N o . 4 壓載艙（右）N o . 5 壓載艙（右） 數(shù)量 審定 審核 校對(duì) 標(biāo)記 標(biāo)記 設(shè)繪 日期 簽 字修改單號(hào) 描校 日期 首錨絞車艙（右） 標(biāo) 記 天津大學(xué)建工學(xué)院船舶工程系 沿海多用途甲板駁船 總 布 置 圖 共 T D 7 0 7 - 1 0 0 - 0 2 基 本 設(shè) 計(jì) 重 量

14、 頁(yè)第頁(yè) 比 例 N o . 6 壓載艙（右） 空 艙 N o . 4 壓載艙（左） 空 艙 N o . 5 壓載艙（左） 艙 底 焊接工作站 空 艙 首錨絞車艙（左） N o . 6 壓載艙（左） A / R 絞車 主 甲 板 設(shè)計(jì)吃水 總 長(zhǎng) 水 線 長(zhǎng) 設(shè)計(jì)水線 B L 主 要 量 度 2 . 8 0 米 6 9 . 6 0 米 6 9 . 6 0 米 梁 拱 型 深 型 寬 0 . 1 2 米 4 . 5 0 米 2 4 . 0 0 米 A 2 ，1 ：1 0 0 ，白：0 . 4 ，其他：0 . 1 5 甲板駁船 21教學(xué)類別 圖、結(jié)構(gòu)坐標(biāo)系 （2 2）計(jì)算步驟）計(jì)算步驟 1 1）結(jié)構(gòu)離散及載荷處理）結(jié)構(gòu)離散及載荷處理 22教學(xué)類別 圖、 甲板板架計(jì)算模型及結(jié)構(gòu)離散 (3) (3) 計(jì)算結(jié)果及結(jié)論