第07章 船舶強度

1、海上貨物運輸海上貨物運輸 第七章第七章 船舶強度船舶強度 （Strength of ship） 第一節(jié)第一節(jié) 保證船舶總縱強度保證船舶總縱強度第二節(jié)第二節(jié) 保證船舶局部強度保證船舶局部強度一、船體強度的一、船體強度的分類分類二、總縱彎曲產(chǎn)生的二、總縱彎曲產(chǎn)生的原因原因三、總縱剪力和彎矩的三、總縱剪力和彎矩的計算計算四、總縱彎矩的四、總縱彎矩的估算估算五、總縱強度的五、總縱強度的校核校核六、影響總縱彎曲的六、影響總縱彎曲的因素因素1、強度、強度定義定義船體結(jié)構(gòu)受船體結(jié)構(gòu)受內(nèi)、外力作用內(nèi)、外力作用時，船體抵抗時，船體抵抗發(fā)生變形或破壞的能力。發(fā)生變形或破壞的能力。2、強度、強度分類分類強度強度總強

2、度總強度局部強度局部強度縱強度縱強度橫強度橫強度扭轉(zhuǎn)強度扭轉(zhuǎn)強度船體結(jié)構(gòu)承受的內(nèi)、外力船體結(jié)構(gòu)承受的內(nèi)、外力l內(nèi)力：局部力l外力：重力、浮力、慣性力、波浪作用力、墩木的反作用力、拖帶力。船體強度的分類船體強度的分類l1）總縱強度：）總縱強度：船舶抵抗縱向變形和破壞的能力。船舶抵抗縱向變形和破壞的能力。l2）橫向強度：）橫向強度：船舶抵抗橫向變形和破壞的能力。船舶抵抗橫向變形和破壞的能力。l3）扭轉(zhuǎn)強度扭轉(zhuǎn)強度：船舶抵抗扭轉(zhuǎn)變形和破壞的能力。船舶抵抗扭轉(zhuǎn)變形和破壞的能力。l4）局部強度：）局部強度：船舶抵抗局部變形和破壞的能力。船舶抵抗局部變形和破壞的能力。3）扭轉(zhuǎn)強度（）扭轉(zhuǎn)強度（Torsio

3、nal strength）定義定義 船舶結(jié)構(gòu)抵抗船體沿船長方向發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形的船舶結(jié)構(gòu)抵抗船體沿船長方向發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形的能力。能力。產(chǎn)生原因產(chǎn)生原因 沿船長方向單位長度重力和浮力橫向不共垂線沿船長方向單位長度重力和浮力橫向不共垂線造成的。造成的。具有甲板大開口船舶應校核其總縱扭轉(zhuǎn)強度。具有甲板大開口船舶應校核其總縱扭轉(zhuǎn)強度。如如等。等。17:308二、二、總縱彎曲產(chǎn)生的原因總縱彎曲產(chǎn)生的原因1、總縱、總縱彎曲變形彎曲變形2、船體縱向彎曲或變形的、船體縱向彎曲或變形的原因原因 3、彎曲力矩彎曲力矩及及彎曲應力彎曲應力4、剪切力剪切力及及剪切應力剪切應力中垂變形中垂變形(sagging)中拱變形中拱變

4、形(hogging)船體變形船體變形 船體受負彎矩作用，中部的浮力小船體受負彎矩作用，中部的浮力小于重力，首尾部的浮力大于重力；于重力，首尾部的浮力大于重力；船舶上甲板受壓，船底受拉，發(fā)生船舶上甲板受壓，船底受拉，發(fā)生中部下垂的變形。中部下垂的變形。 船體受正彎矩作用，中部的浮力船體受正彎矩作用，中部的浮力大于重力，首尾部的浮力小于重力；大于重力，首尾部的浮力小于重力；船舶上甲板受拉，船底受壓，發(fā)生船舶上甲板受拉，船底受壓，發(fā)生中部上拱的變形。中部上拱的變形。l利用吃水判定船舶的拱垂利用吃水判定船舶的拱垂利用吃水判定船舶的拱垂利用吃水判定船舶的拱垂dM dM：中垂變形：中垂變形dM dM：中拱

5、變形：中拱變形dM dM：無拱垂變形：無拱垂變形Mdd )dd(21dAFM 首尾平均吃水：首尾平均吃水：拱垂判定：拱垂判定：拱垂值拱垂值：1234567原因：船舶所受重力和浮力沿船長方原因：船舶所受重力和浮力沿船長方向分布不一致造成。向分布不一致造成。3、船體彎矩和彎曲應力、船體彎矩和彎曲應力彎曲力矩：彎曲力矩： 單位長度的船體，前后兩端受到大小相等，方向相反單位長度的船體，前后兩端受到大小相等，方向相反的彎矩作用，則該段船體將發(fā)生彎曲變形。的彎矩作用，則該段船體將發(fā)生彎曲變形。 船體結(jié)構(gòu)的彎曲應力船體結(jié)構(gòu)的彎曲應力彎曲力矩的大?。簭澢氐拇笮。簒M中和軸中和軸xDAB縱向結(jié)構(gòu)件：縱向結(jié)構(gòu)

6、件：外板、甲板板、縱骨、縱珩外板、甲板板、縱骨、縱珩最大彎曲應力：最大彎曲應力：dxmaxWM 彎曲應力最彎曲應力最大大值在距離中和軸最值在距離中和軸最遠遠處的龍骨板或上甲板處。處的龍骨板或上甲板處。中和軸中和軸xDAB彎曲應力：彎曲應力：AxAwM 任意橫剖面處的縱向連續(xù)構(gòu)件將承受拉（壓）力作任意橫剖面處的縱向連續(xù)構(gòu)件將承受拉（壓）力作用，單位面積所受的拉（壓）力為彎曲應力。用，單位面積所受的拉（壓）力為彎曲應力。彎曲應力計算彎曲應力計算W：剖面模數(shù)剖面模數(shù)彎曲應力大小分布：彎曲應力大小分布：中和軸中和軸處為處為0中和軸：中和軸：通過剖面通過剖面幾何形心幾何形心且平行于基平面的軸線。且平行于

7、基平面的軸線。是船體梁在彎曲過程中各個剖面轉(zhuǎn)動的軸線是船體梁在彎曲過程中各個剖面轉(zhuǎn)動的軸線,特點：中和軸處特點：中和軸處不不承受壓承受壓/拉應力。拉應力。SdszZNA 中和軸中和軸xDABzNA位置：位置：dxdZIw dszI2AAAzIw 剖面面積對中和軸的面積慣矩剖面面積對中和軸的面積慣矩剖面模數(shù)剖面模數(shù)最大剖面模數(shù)：最大剖面模數(shù)：W中和軸中和軸xDAB船底剖面模數(shù)：船底剖面模數(shù)：甲板剖面模數(shù)：甲板剖面模數(shù)：bxbZIw l它是表征船體結(jié)構(gòu)抵抗彎曲變形能力的一種幾何特性，它是表征船體結(jié)構(gòu)抵抗彎曲變形能力的一種幾何特性，也是衡量船體總縱強度的一個重要標志也是衡量船體總縱強度的一個重要標志

8、l船體參加總縱彎曲的結(jié)構(gòu)船體參加總縱彎曲的結(jié)構(gòu)件的數(shù)目和尺寸決定。件的數(shù)目和尺寸決定。 任意橫剖面處的縱向連續(xù)構(gòu)件將承受剪切力，單位任意橫剖面處的縱向連續(xù)構(gòu)件將承受剪切力，單位面積所受的剪切力為剪切應力。剪切應力最大值出面積所受的剪切力為剪切應力。剪切應力最大值出現(xiàn)在中和軸處。現(xiàn)在中和軸處。W1W1Nx剪切力：剪切力：剪切變形：剪切變形：剪切應力剪切應力： 單位長度的船體，其前后兩端受到大小相等、方向單位長度的船體，其前后兩端受到大小相等、方向相反的切力作用，則該段船體將出現(xiàn)剪切變形。相反的切力作用，則該段船體將出現(xiàn)剪切變形。Nx bISN中和軸中和軸xDABAAZZxbISN 其中：其中：N

9、總縱剪力總縱剪力I面積慣矩面積慣矩bZA高度處水平線上構(gòu)件厚度的總和高度處水平線上構(gòu)件厚度的總和S 剖面上或下邊緣與剖面上或下邊緣與ZA高度線之間所圍面積高度線之間所圍面積 對中和軸的面積靜矩對中和軸的面積靜矩總縱剪應力：總縱剪應力：最大剪應力？最大剪應力？00ZZxmaxbISN 在中和軸處在中和軸處三、總縱剪力和彎矩的計算三、總縱剪力和彎矩的計算 3、負荷曲線（、負荷曲線（Load curve） 5、彎矩曲線（、彎矩曲線（Bending moment curve）4、剪力曲線（、剪力曲線（Shear curve）1、重量曲線、重量曲線（Weight curve）)x(W 2、浮力曲線（、浮

10、力曲線（Buoyancy curve）)x( )x()x()x(Wq x0)x()x(dxqN x0 x0)x(x0)x()x(dxqdxNM示例示例實例實例總縱剪力和彎矩的計算總縱剪力和彎矩的計算 示例示例)x(W1、)x(2 、)x()x()x(Wq3 、 x0)x()x(dxqN4、 x0 x0)x(x0)x()x(dxqdxNM5、結(jié)論結(jié)論 x0)x()x(dxqN x0)x()x(dxNM總縱剪力和彎矩的計算總縱剪力和彎矩的計算 實例實例5t5tdXXOBACDOBACDOBACD0.5t/m1t/m1.5t/m2.5t-2.5t12.5t.m-0.5t/m0.5t/m)x(W)x(

11、 )x()x()x(Wq m20L, t10W0 結(jié)論結(jié)論剪力最大值剪力最大值Nmax：彎矩最大值彎矩最大值Mmax ：XOBACD2.5t-2.5t12.5t.m0.5t/m位于距位于距首尾首尾L/4剖面剖面的的中和軸中和軸處；處；位于位于船中剖面船中剖面的的上甲板上甲板處。處。位于距位于距首尾首尾L/4的剖面處；的剖面處；位于位于船中剖面船中剖面處。處。剪應力最大值剪應力最大值max：彎曲應力最大值彎曲應力最大值max ：四、船中靜水彎矩估算四、船中靜水彎矩估算 AAFFbAgAbFgFxxW81. 9xxW81. 9M 1、基本估算式：、基本估算式：總縱彎曲的原因？總縱彎曲的原因？最大彎

12、矩的位置？最大彎矩的位置？ iixxp81. 921Mpi WFWAAFBABFGFGAx xi i五、船舶總縱強度校核五、船舶總縱強度校核1、彎曲應力和切應力彎曲應力和切應力法法3、百分比校核百分比校核法法4、強度曲線圖強度曲線圖法法5、船舶吃水校核船舶吃水校核法法1、彎曲應力和切應力法、彎曲應力和切應力法 max max 材料的材料的許用彎曲應力許用彎曲應力材料的許用剪切應力材料的許用剪切應力計算的最大彎曲應力：計算的最大彎曲應力：計算的最大剪切應力：計算的最大剪切應力：其中：其中：材料的許用彎曲應力材料的許用彎曲應力1、船用鋼材、船用鋼材：一般強度鋼一般強度鋼伸縮率：伸縮率：高強度鋼高強

13、度鋼伸縮率：伸縮率：Pa1081. 9)5341(6b Pa1081. 9)6652(),6350(),6045(6b %22 %20%22或或 2、影響許用彎曲應力的因素、影響許用彎曲應力的因素： 材料的力學性能；海波與標準計算波高的差異；剛才腐材料的力學性能；海波與標準計算波高的差異；剛才腐耗和船舶使用年限；船底和甲板尚需計及局部結(jié)構(gòu)強度耗和船舶使用年限；船底和甲板尚需計及局部結(jié)構(gòu)強度的影響；結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；的影響；結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；3、許用彎曲應力大?。骸⒃S用彎曲應力大?。?Pa1081. 9)74 . 6 （平平水水 Pa1081.984.17 波波2、許用彎矩、許用彎矩/剪切力法剪切力法

14、MMmaxWM M許用彎矩許用彎矩 由于由于若若 WM則：則： l由于由于l若若 00SbINl則：則：AAZZxbISN lN許用彎矩許用彎矩 NNmax 3、百分比校核法、百分比校核法 目前的裝載計算機對船舶總縱強度的校目前的裝載計算機對船舶總縱強度的校 核多采用此方核多采用此方法。法。 一般分港內(nèi)和海上兩種狀態(tài)校核。一般分港內(nèi)和海上兩種狀態(tài)校核。 iixM81.92MxpWpi MMmax 1MxpWpii %100)Mx100(100pWpii Mxxp81. 921Miipi WpMx100i 分數(shù)系數(shù)：分數(shù)系數(shù)：許用彎矩校核：許用彎矩校核：船中彎矩估算：船中彎矩估算：（1）繪制原理

15、）繪制原理4、強度曲線圖法、強度曲線圖法（2）曲線圖曲線圖的的使用使用 MMmax ppipMxpMi 因為：因為：所以：所以：載重彎矩：載重彎矩：許用載重彎矩：許用載重彎矩： MLCxpxWLkW2181. 9Mipimhh xWLkWLCM81. 92xpmhhpii xWLkWLCM81. 92Mmhhp 強強度度曲曲線線圖圖曲線圖的曲線圖的使用使用l曲線圖的構(gòu)成曲線圖的構(gòu)成縱坐標：載荷對船中力矩的絕對值之和?？v坐標：載荷對船中力矩的絕對值之和。橫坐標：平均型吃水。橫坐標：平均型吃水。 ipipxpM強度曲線的使用強度曲線的使用l點劃線點劃線l虛線虛線l實線實線l點劃線和虛線之間：有利范

16、圍點劃線和虛線之間：有利范圍l虛線和實線之間：允許范圍虛線和實線之間：允許范圍l實線之外：危險范圍實線之外：危險范圍l點劃線左上方：中拱范圍點劃線左上方：中拱范圍l點劃線右下方：中垂范圍點劃線右下方：中垂范圍（1）適用條件）適用條件 船長小于船長小于90m或者裝或者裝載均勻，不需要校核載均勻，不需要校核靜水切力時，可以使靜水切力時，可以使用該法。用該法。（2） 使用方法：使用方法：縱坐標：載荷對船中力縱坐標：載荷對船中力矩的絕對值之和。矩的絕對值之和。橫坐標：平均型吃水。橫坐標：平均型吃水。（3）區(qū)域劃分：）區(qū)域劃分：1200LBP 800L1200LBPBP 600L800LBPBP 600

17、LBP 600LBP 1200LBP 800LBP 0 有利范圍）有利范圍）正常范圍）正常范圍）極限范圍）極限范圍）危險范圍危險范圍有利拱垂范圍：有利拱垂范圍：正常拱垂范圍：正常拱垂范圍：極限拱垂范圍：極限拱垂范圍：危險拱垂范圍：危險拱垂范圍：Mdd 拱垂值拱垂值：注意注意 船舶處于有利和正常拱垂范圍：船舶處于有利和正常拱垂范圍： 船舶處于極限拱垂范圍：船舶處于極限拱垂范圍： 船舶處于危險拱垂范圍：船舶處于危險拱垂范圍：注意注意可以可以開航；開航；只能只能好天氣開航；好天氣開航；不能不能開航。開航。0 有利范圍）有利范圍）正常范圍）正常范圍）極限范圍）極限范圍）危險范圍危險范圍600LBP 1

18、200LBP 800LBP 六、影響船舶拱垂變形的因素六、影響船舶拱垂變形的因素l1、重力分布對拱垂變形的影響：、重力分布對拱垂變形的影響：（1）船舶布置船舶布置（2）積載方案積載方案l2、浮力分布對拱垂變形的影響：、浮力分布對拱垂變形的影響：（1）船舶形狀）船舶形狀（2）船舶與波浪的）船舶與波浪的相對位置相對位置l3、船體、船體有效有效構(gòu)件的尺寸、材料及分布構(gòu)件的尺寸、材料及分布（1）船舶布置對總縱強度的力影響）船舶布置對總縱強度的力影響a、不同機艙位置的普通貨船的彎矩特性曲線、不同機艙位置的普通貨船的彎矩特性曲線b、不同機艙位置的普通貨船的彎矩、不同機艙位置的普通貨船的彎矩比較比較b、不同

19、機艙位置的普通貨船的彎矩比較、不同機艙位置的普通貨船的彎矩比較滿載滿載狀態(tài)下三種類型船舶所受的彎矩比較狀態(tài)下三種類型船舶所受的彎矩比較尾機船尾機船中后機船中后機船中機船中機船尾機船尾機船中后機船中后機船中機船中機船 空載空載狀態(tài)下三種類型船舶所受的彎矩比較狀態(tài)下三種類型船舶所受的彎矩比較 中后機中后機船空載狀態(tài)與滿載狀態(tài)的彎矩比較船空載狀態(tài)與滿載狀態(tài)的彎矩比較空載狀態(tài)空載狀態(tài)滿載狀態(tài)滿載狀態(tài) （2）積載方案對總縱強度的影響）積載方案對總縱強度的影響 a、經(jīng)驗法（艙容比配貨法）、經(jīng)驗法（艙容比配貨法）QVVPchichii .%)(101iiiiPPPP 艙別艙別NO.1NO.2NO.3NO.4

20、NO.5Total貨艙容積貨艙容積3075411942105719396721090艙容比艙容比14.5819.5319.9627.1218.81100Pi1955261926763636252213408調(diào)整值調(diào)整值196262268364252上下限上下限范圍范圍2151175928812357294424084000327227742270b、隔艙裝載：、隔艙裝載：應用應用：提高總縱強度的方法：提高總縱強度的方法 提高總縱強度方法提高總縱強度方法（1）中拱狀態(tài)：）中拱狀態(tài)：中機船滿載狀態(tài)中機船滿載狀態(tài)尾機船壓載狀態(tài)尾機船壓載狀態(tài)中后機船壓載狀態(tài)中后機船壓載狀態(tài)合理分配載重，提高船舶總縱強

21、度：合理分配載重，提高船舶總縱強度：貨物配置：按艙容比分配貨物，在艙容允許的條件下，貨物配置：按艙容比分配貨物，在艙容允許的條件下，中區(qū)貨艙應按裝貨重量的上限值裝，首尾貨艙按下限值中區(qū)貨艙應按裝貨重量的上限值裝，首尾貨艙按下限值裝；中途港貨物不應過分集中于中區(qū)貨艙。裝；中途港貨物不應過分集中于中區(qū)貨艙。油水分配及使用：油水應自中區(qū)向首尾裝載；使用時應油水分配及使用：油水應自中區(qū)向首尾裝載；使用時應自首尾向中區(qū)。自首尾向中區(qū)。正確使用位于中區(qū)的深艙和冷藏艙：不應空艙。正確使用位于中區(qū)的深艙和冷藏艙：不應空艙。（2）中垂狀態(tài)：反之）中垂狀態(tài)：反之（2）波浪對總縱彎曲的影響）波浪對總縱彎曲的影響 a

22、、船舶中垂，、船舶中垂，波谷位于船中，波谷位于船中，危險。危險。WXWXb、船舶中拱，、船舶中拱，波波 峰位于船中，峰位于船中，危險危險波長等于船長，波長等于船長， 201Hm120L時，波高時，波高m2301Hm120L 時，波高時，波高l船舶與波浪的相對位置關(guān)系：船舶與波浪的相對位置關(guān)系：l標準波：標準波：甲板剖面模數(shù)的腐蝕修正甲板剖面模數(shù)的腐蝕修正 甲板剖面模數(shù)每年平均扣除腐甲板剖面模數(shù)每年平均扣除腐蝕量約為蝕量約為0.40.6。 nwwddn（1） 近似公式計算法近似公式計算法中和軸中和軸xDAB（2） 經(jīng)驗法：經(jīng)驗法：l使用年限小于使用年限小于5年的船舶取下限，年的船舶取下限，l使用

23、年限使用年限10年以上的船舶取上限。年以上的船舶取上限。（3） 腐蝕腐蝕極限極限：（3）腐蝕極限）腐蝕極限船長大于或等于船長大于或等于60m的遠洋的遠洋干散貨船干散貨船，船長大于或等于船長大于或等于90m的遠洋的遠洋液體貨船液體貨船，在，在船中船中40L區(qū)間強力甲板的剖面模數(shù)應滿足：區(qū)間強力甲板的剖面模數(shù)應滿足：ddnw80. 0w 無限航區(qū)（無限航區(qū)（類航區(qū)）：類航區(qū)）：近海航區(qū)（近海航區(qū)（ 類航區(qū)）：類航區(qū)）：沿海航區(qū)（沿海航區(qū)（ 類航區(qū)）：類航區(qū)）：ddnw90. 0w ddnw84. 0w 第二節(jié)第二節(jié) 保證船舶局部強度保證船舶局部強度一、定義一、定義l船舶結(jié)構(gòu)抵抗船體局部發(fā)生變形或破

24、壞的能力。船舶結(jié)構(gòu)抵抗船體局部發(fā)生變形或破壞的能力。l船舶局部結(jié)構(gòu)抵抗內(nèi)外力作用的能力。船舶局部結(jié)構(gòu)抵抗內(nèi)外力作用的能力。二、核算部位二、核算部位l艙口蓋、上甲板、中間甲板、底艙底板、平臺。艙口蓋、上甲板、中間甲板、底艙底板、平臺。三、核算三、核算指標指標及核算及核算方法方法四、四、實際負荷量實際負荷量的計算的計算五、五、允許負荷量允許負荷量的確定的確定六、保證局部強度不受損傷的六、保證局部強度不受損傷的措施措施三、負荷量的表示及校核方法三、負荷量的表示及校核方法 載箱部位上作用在箱底座處的集裝箱載箱部位上作用在箱底座處的集裝箱總重量（總重量（kN）。）。校核方法校核方法l均布載荷均布載荷pd

25、：l集中載荷集中載荷P：l車輛載荷車輛載荷Pv ：l堆積負荷堆積負荷Pc ：單位面積允許承受的最大重量（單位面積允許承受的最大重量（kPa）。）。 某一較小特定面積上允許承受某一較小特定面積上允許承受的最大重量（的最大重量（kN）。）。 載車部位允許承受的以特定車輪數(shù)目載車部位允許承受的以特定車輪數(shù)目為前提的車輛及所載貨物的總重量為前提的車輛及所載貨物的總重量（kN）。）。ccPP 甲板甲板實際實際負荷量負荷量 甲板甲板允許允許負荷量負荷量局部強度的校核方法局部強度的校核方法 l均布載荷均布載荷pd：l集中載荷集中載荷P：l車輛載荷車輛載荷Pv ：l堆積負荷堆積負荷Pc ：ddpp PP vvPP 原則：原則：四、實際負荷量的計算四、實際負荷量的計算（2）集中載荷：（）集中載荷：（Concentrated load）SP81.9pd iid.F.Sh81.9p nW81. 9P icP81. 9P （1）均布載荷（）均布載荷（Even distributed load）（3）集裝箱載荷：（）集裝箱載荷：（Container load）五、允許負荷量的確定五、允許負荷量的確定1、查取局部強度計算書、查取局部