船舶總縱強(qiáng)度計(jì)算方法

1一、引言問題提出：

船舶在運(yùn)營過程中，船體結(jié)構(gòu)的受力頗為復(fù)雜。尤其是船體所受重力和浮力沿船長方向分布的不一致，將產(chǎn)生彎曲變形及彎矩和彎曲應(yīng)力。(這時(shí)彎曲應(yīng)力大小如何衡準(zhǔn)？)解決思路：

將船體視為一根空心變斷面且兩端自由支撐的梁，來研究它的彎曲變形.已成為研究船舶總縱強(qiáng)度(Longitudinalstrengthofship)的標(biāo)準(zhǔn)方法。xMxo2/3/2023船海2總強(qiáng)度計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算方法：（1）將船舶靜置在波浪上，即假定船舶以波速在波浪的傳播方向上航行，船舶與波浪處于相對(duì)靜止的狀態(tài)；（2）以二維坦谷波作為標(biāo)準(zhǔn)波形，計(jì)算波長等于船長，計(jì)算波高按有關(guān)規(guī)范或強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)選取。（3）取波峰位于船中和波谷位于船中兩種狀態(tài)分別進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算方法：2023/2/32023/2/32023/2/3

概述

在求得船體的總縱彎曲和剪力之后，我們就可以計(jì)算船體的彎曲正應(yīng)力，進(jìn)行強(qiáng)度校核。

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：1、變形前互相平行的縱向直線、變形后變成弧線，且凹邊纖維縮短、凸邊纖維伸長。2、變形前垂直于縱向線的橫向線,變形后仍為直線，且仍與彎曲了的縱向線正交，但兩條橫向線間相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)了一個(gè)角度。中性軸：中性層與橫截面的交線稱為中性軸。平面假設(shè)：變形前桿件的橫截面變形后仍為平面。MZ:橫截面上的彎矩y:到中性軸的距離IZ:截面對(duì)中性軸的慣性矩2023/2/3zy船體結(jié)構(gòu)是由許多部件組成的，這些部件各自承擔(dān)著一定的作用。其中一些是直接承受外力的構(gòu)件，另一些則承受別的構(gòu)件傳來的力?，F(xiàn)以兩種典型結(jié)構(gòu)形式的船底板架為例，進(jìn)行船體結(jié)構(gòu)的受力和傳力過程分析。2023/2/3船體結(jié)構(gòu)是由許多部件組成的，這些部件各自承擔(dān)著一定的作用。其中一些是直接承受外力的構(gòu)件，另一些則承受別的構(gòu)件傳來的力?，F(xiàn)以兩種典型結(jié)構(gòu)形式的船底板架為例，進(jìn)行船體結(jié)構(gòu)的受力和傳力過程分析。2023/2/3橫骨架式——假定在船底板架上只作用著水壓力。直接承受水壓力的構(gòu)件是外底板，外底板將水壓力傳給骨架（縱骨、肋板以及船底縱桁等），然后在傳到板架的支承周界（橫艙壁及舷側(cè)）上去，傳力過程如下圖.2023/2/3縱骨架式——假定在船底板架上只作用著水壓力。直接承受水壓力的構(gòu)件是外底板，外底板將水壓力傳給骨架（縱骨、肋板以及船底縱桁等），然后在傳到板架的支承周界（橫艙壁及舷側(cè)）上去，傳力過程如下圖.2023/2/3

甲板上的荷重也傳給艙壁和舷側(cè)，橫艙壁在這些力以及與舷側(cè)相交處的剪力作用下取得平衡。在舷側(cè)上作用著的這些力以及與艙壁相交處的剪力，構(gòu)成舷側(cè)板架所受的不平衡力，這個(gè)力以剪力的形式傳給相鄰的舷側(cè)板架，他就是總縱彎曲時(shí)作用在船體剖面中的剪力。2023/2/3由于構(gòu)件相互連接，其作用是很復(fù)雜的。以縱骨架式船底板為例，外板本身承受水壓力將產(chǎn)生彎曲應(yīng)力，然后將水壓力傳給縱骨，再由縱骨傳給肋板。縱骨在傳遞水壓力過程中將發(fā)生彎曲變形，與縱骨相連的外板部分又將隨縱骨彎曲而產(chǎn)生彎曲應(yīng)力。以此類推，外板中的彎曲應(yīng)力將包含有板的彎曲應(yīng)力、縱骨彎曲應(yīng)力、板架彎曲應(yīng)力以及總縱彎曲應(yīng)力等四種應(yīng)力成分。這就是船體構(gòu)件承受多種作用、產(chǎn)生多種應(yīng)力的工作特點(diǎn)。其變形特征如下：2023/2/3總縱彎曲;板架彎曲;縱骨彎曲;板的彎曲第一類：只承受總縱彎曲的縱向構(gòu)件，如不計(jì)甲板荷重的上甲板，其應(yīng)力記為

第二類：同時(shí)承受總縱彎曲和板架彎曲的縱向構(gòu)件，如船底縱桁材腹板，其應(yīng)力記為1+2第三類：同時(shí)承受總縱彎曲、板架彎曲以及縱骨彎曲的縱向構(gòu)件；或者是承受總縱彎曲、板架彎曲以及板的彎曲（橫骨架式）的縱向構(gòu)件，如縱骨架式中的縱骨或橫骨架式中的船底板，其應(yīng)力記為1+2+3第四類：同時(shí)承受總縱彎曲、板架彎曲、縱骨彎曲及板的彎曲的縱向構(gòu)件，如縱骨架式中的船底外板，其應(yīng)力記為1+2+3+4

以上各種彎曲，除總縱彎曲外均稱為局部彎曲。2023/2/32023/2/3由以上分析可知，船體縱向連續(xù)構(gòu)件在總彎曲中所受到的正應(yīng)力，可以稱為總合正應(yīng)力。

它包括總彎曲正應(yīng)力及局部彎曲正應(yīng)力。

對(duì)于不同的構(gòu)件，其局部彎曲正應(yīng)力所包含的應(yīng)力數(shù)目是不同的，所以為：船體總縱強(qiáng)度的校核內(nèi)容，包括：

1、按許用應(yīng)力校核

總合正應(yīng)力校核

剪應(yīng)力校核

2、按剖面最大承載力校核2023/2/3第一節(jié)船體總縱彎曲應(yīng)力第一次近似計(jì)算N、M→σ、τ→強(qiáng)度校核

在求得船體的總縱彎曲力矩和剪力之后，就可計(jì)算船體的總縱彎曲應(yīng)力和剪應(yīng)力，以便進(jìn)行強(qiáng)度校核。

試驗(yàn)表明：在一定條件下（剖面內(nèi)沒有構(gòu)件喪失穩(wěn)性），用實(shí)心梁彎曲理論對(duì)船體梁進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算所得的結(jié)果與實(shí)際測(cè)量結(jié)果基本相符，或極近似。2023/2/32023/2/3因此為了應(yīng)用梁的彎曲應(yīng)力公式來計(jì)算船體總縱彎曲應(yīng)力，就必須對(duì)空心薄壁的船體梁作一個(gè)假設(shè)——等值梁假設(shè)，即假定船體是一根等值梁。

等值梁是指在抵抗總縱彎曲方面與船體具有相同抵抗能力的一種梁，也就是與船體等效的一種梁。2023/2/3等值梁的剖面可以把船體剖面中所有參與抵抗總縱彎曲的構(gòu)件，在保持其高度和面積不變的條件下，假想地平移至船舶中縱剖面附近，并對(duì)稱的構(gòu)成一梁的剖面。2023/2/3計(jì)算剖面的選取:進(jìn)行船體總縱強(qiáng)度校核時(shí)應(yīng)選取可能出現(xiàn)最大彎曲應(yīng)力的危險(xiǎn)剖面進(jìn)行計(jì)算。由總縱彎矩曲線可知，船體梁最大彎矩一般出現(xiàn)在船中0.4L范圍內(nèi)，所以一般應(yīng)選取船中0.4L范圍內(nèi)的最弱剖面進(jìn)行校核。貨艙開口剖面；船體骨架形式發(fā)生變化的剖面；上層建筑端璧處剖面；主體材料分布變化剖面；重量分布特殊出現(xiàn)較大彎矩值的剖面；2023/2/32023/2/32023/2/32023/2/32023/2/3

構(gòu)件計(jì)入等值梁的條件

計(jì)算船體剖面模數(shù)時(shí)，首先要確定哪些構(gòu)件能夠有效地參加抵抗總縱彎曲變形，也即那些構(gòu)件可以計(jì)入等值梁計(jì)算剖面。

依據(jù)一些理論分析

和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以

得出如下一些計(jì)入

等值梁的條件和規(guī)

定：

2023/2/31）、縱向連續(xù)并能有效地傳遞總縱彎曲應(yīng)力的構(gòu)件均應(yīng)計(jì)入。但有些縱向構(gòu)件由于形狀和構(gòu)造的關(guān)系，不能有效地傳遞總縱彎曲應(yīng)力，則不能計(jì)入。船中部0.4——0.5船長區(qū)域內(nèi)的縱向連續(xù)元件，如上甲板外板、內(nèi)底板、縱桁、縱骨以及符合上述要求的其他構(gòu)件，計(jì)算剖面模數(shù)時(shí)均應(yīng)計(jì)入以后我們稱這些構(gòu)件為縱向強(qiáng)力構(gòu)件。

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2）、中部區(qū)域只占部分船長的非連續(xù)構(gòu)件（稱為中間構(gòu)件），例如上層建筑甲板和側(cè)壁等，他們參加抵抗總縱彎矩的程度取決于他們本身的構(gòu)造和長度。根據(jù)上層建筑強(qiáng)度理論分析，一般規(guī)定，凡長度超過船長的15%，且不小于本身高度6倍的上層建筑以及同時(shí)受到不小于3個(gè)橫艙壁或類似結(jié)構(gòu)支持的長甲板室，可以認(rèn)為其中部是完全有效地參加抵抗總縱彎曲的。

可是這些構(gòu)件的端部，由于抵抗總縱彎曲的程度較小，則應(yīng)該按下圖所示扣除斜線部分的構(gòu)件剖面積。2023/2/32023/2/3

相鄰艙口之間的甲板、同樣可視為間斷構(gòu)件，因此如計(jì)算剖面選在下圖所示的斜線區(qū)域內(nèi)時(shí)，則斜線部分的甲板面積應(yīng)扣除。2023/2/3

3）、強(qiáng)度計(jì)算中規(guī)定，凡甲板開口寬度超過甲板寬度的20%者均應(yīng)扣除。

縱桁腹板上的開口，如大于腹板高度的20%，則應(yīng)扣除開口部分。

至于縱向連續(xù)構(gòu)件上的個(gè)別開口，如人孔、舷窗等，計(jì)算剖面模數(shù)時(shí)不必扣除2023/2/3

不同材料之間的相換算____依據(jù)變形相等

2023/2/3第一次近似計(jì)算

當(dāng)確定了船體剖面中計(jì)入等值梁剖面的各構(gòu)件的位置、尺寸后，便可計(jì)算等值梁剖面幾何要素——剖面積、剖面對(duì)中和軸的慣性矩和剖面模數(shù)。步驟：（1）對(duì)稱結(jié)構(gòu)繪制半剖面圖，對(duì)縱向強(qiáng)力構(gòu)件進(jìn)行編號(hào)。（可把距中和軸相等的相同尺寸構(gòu)件劃為一組進(jìn)行編號(hào)）；（2）選取參考中和軸，參考中和軸可選在距基線e=0.45—0.5)型深處，或就在基線處；（3）分別計(jì)算各組構(gòu)件剖面積Ai,型心至參考軸的距離,靜距和慣性矩.對(duì)于高度較大的垂向構(gòu)件，如舷側(cè)外板，還要計(jì)算其自身慣性矩2023/2/3由此，剖面中和軸距參考軸的距離為剖面對(duì)水平中和軸的慣性矩為：任意構(gòu)件距中和軸的距離為：構(gòu)件中的總縱彎曲應(yīng)力為：2023/2/32023/2/3*中和軸中和軸：通過剖面幾何形心且平行于基平面的軸線。是船體梁在彎曲過程中各個(gè)剖面轉(zhuǎn)動(dòng)的軸線,特點(diǎn)：中和軸處不承受壓/拉應(yīng)力。拉應(yīng)力壓應(yīng)力中和軸zzNA位