船舶強度與結構設計,第四章船體結構設計,本節(jié)內容,CompanyLogo,船體結構設計概述,船舶設計過程合同設計，初步設計，詳細設計，生產設計，完工設計。合同設計：談判，初步的技術指標，船用途、主尺度、航速、主機、工期；初步設計：豐滿合同設計的各項指標。具體表現：型線圖，總布置圖，外板展開圖，以及一系列計算書（浮性、穩(wěn)性，快速性，耐波性，安全性）詳細設計：完善除生產過程外的所有準備技術工作。如：肋骨型線圖，分段結構圖。,CompanyLogo,船體結構設計概述,完工設計：歸檔存檔船舶主尺度、船體型線、船舶建筑形式、甲板層數、內底分布、艙壁位置，最初確定的。結構設計的任務是在上面的基礎上決定船體結構形式、構件尺寸和連接方法。成功的設計乃是合理地選擇結構材料，保證結構具有必須的強度和剛性的情況下，使結構重量最輕。,CompanyLogo,船體結構設計概述,規(guī)范設計法：簡便，安全，不易反應具體船舶特點、新技術成果，適用于常規(guī)的民船直接規(guī)范設計和間接規(guī)范設計，前者根據船型、船籍和主尺度直接查規(guī)范確定結構形式和構件尺寸，后者是參考母型，取構件尺寸，根據規(guī)范修正尺寸大小。直接計算法：合理，可反映具體船舶特點，但計算工作量大，適用于軍船，大新特民船（高附加值）,CompanyLogo,船體結構設計概述,計算設計所謂計算設計，其實質就是依據作用在結構上的外力，從強度和穩(wěn)定性條件出發(fā)，選擇適當的結構型式和構件尺寸。船體結構形式：船體是由板和型材組成的薄壁結構，即板架結構。根據位置和受力特點，認為分為船底板架、甲板板架、船側板架和艙壁板架等。由于位置和受力的不同，采用不同的骨架型式。,CompanyLogo,船體結構設計概述,一般，普通常規(guī)船上甲板和船底板架多采用縱骨架式，舷側板架為橫骨架式。這樣的布置一方面總縱強度方面容易滿足，另外，橫骨架式對橫向載荷的抵抗也增大，使局部強度容易滿足，又不至于占據過大的艙容。特殊情況：干貨船在下面兩種情況下上甲板宜于采用橫骨架式：,CompanyLogo,船體結構設計概述,1.船長小于90100m時，不論船長L與型深D之比的比值如何；在100130之間，L/D1.7時；2.當船長小于80100m，L/D小于12時，船底外板厚度不是由強度條件來決定的，而是取決于銹蝕磨耗的要求時；3.當船的中垂彎矩遠大于中拱彎矩，即當M中垂/M中拱1.52.0時4.船底易擱淺或者艙內用抓斗起貨物而艙底又無護板時。,CompanyLogo,船體結構設計概述,若船底板架為橫骨架式，建議每檔肋骨設實肋板，這樣可以提高外底穩(wěn)定性、局部強度和簡化工藝。船側板架由艙壁間距、甲板和艙底間的距離而定。軍船舷側靠近甲板和船底多采用縱骨架式，其他采用橫骨架式。船端多采用橫骨架式，但是由于橫骨架式和縱骨架式在過渡銜接的問題，目前也有縱骨架式存在。,CompanyLogo,船體結構設計概述,船體鋼料選擇：高強度鋼問題。目前船體構件選擇主要考慮兩方面：強度和穩(wěn)定性。強度方面主要借助的材料特性是屈服極限，而穩(wěn)定性方面的標準時臨界應力。選擇鋼料要根據具體情況而定。在結構設計時，我們希望選擇的鋼料能使船體結構最輕。,CompanyLogo,型材剖面設計,型材剖面利用系數和比面積船體結構中的型材球扁鋼，T型材，扁鋼，角鋼衡量型材剖面利用率的指標1.對型材剖面設計的要求（1）構成剖面的各個部分應該具有足夠的強度、剛度和穩(wěn)定性；（2）應該滿足生產與工藝的要求，制造簡單（3）剖面內材料的分布合理，材料利用率高。衡量剖面內材料利用率的指標：剖面利用系數和比面積。,CompanyLogo,型材剖面設計,理想剖面：兩個離中和軸距離相等、面積各為0.5F的翼板組成的剖面稱為理想剖面。理想剖面的剖面模數為,CompanyLogo,型材剖面設計,實際型材的最小剖面模數，小于理想剖面的剖面模數，因為，在同等面積下，平行于中和軸是所有情況中慣性矩最大的情況。即,CompanyLogo,型材剖面設計,W1-實際型材剖面的最小剖面模數；-剖面利用系數，其反映剖面中材料的分布的合理程度，剖面利用系數越大，則剖面材料的利用越接近理想剖面。利用剖面利用系數時,同一類型材的剖面利用系數才可以比較,例如不同型號的角鋼可以比較剖面利用系數,而角鋼和鋼管的剖面利用系數不可以比較。所以剖面利用系數不能反映所有構件不同剖面形狀材料的利用率。,CompanyLogo,型材剖面設計,剖面模數比面積：,F-型材剖面積；W-包括帶板在內的型材的,剖面模數。Cw小，表明利用較少的材料，獲得了較大的剖面模數，所以剖面材料的利用率越高，顯然Cw越小越有利。,慣性矩比面積：,CompanyLogo,型材剖面設計,I包括帶板在內的剖面慣性矩，Ci小，表明利用較少的材料，獲得了較大的慣性矩，所以剖面材料的利用率越高，顯然Ci越小越有利。,CompanyLogo,型材剖面設計,型材的強度要求與剖面要素強度要求：（1）彎曲強度要求；（2）剪切強度要求型材剖面模數與慣性矩的計算,f1-小翼板面積；f2-大翼板面積；f-腹板面積;h-腹板高度,t-腹板厚度。中和軸距離基線h1：,CompanyLogo,型材剖面設計,CompanyLogo,型材剖面設計,剖面對中和軸的慣性矩,對小翼板的最小剖面模數,CompanyLogo,型材剖面設計,最小剖面模數改寫為,K=36,CompanyLogo,型材剖面設計,參數h、f1、f2對于剖面最小剖面模數的影響：（1）剖面高度h不變，增加大翼板f2的面積，可減小K值，使W1增大，但是由于K的取值范圍變化較小。所以加大大翼板面積，W1增加緩慢；（2）增加小翼板面積f1,可使W1較大增加，比增加f2面積有效；（3）增加腹板高度h，W1增加最快，是提高剖面模數的最有效的方法。,CompanyLogo,型材剖面設計,腹板的相當面積和剪切穩(wěn)定性腹板承受剖面上的大部分剪力。剖面剪力為N，假定腹板承受全部剪力N，而且剪應力沿高度方向均勻分布，任意高度處的剪應力均為最大剪應力，則有：,-稱為腹板的相當剪切面積。,CompanyLogo,型材剖面設計,由于,所以,將I及Smax計算式代入上式，可得,CompanyLogo,型材剖面設計,大翼板f2為船體板的一部分，其為常量。調整小翼板和腹板面積比值時，可得相當腹板剪切面積的變化的范圍為,CompanyLogo,型材剖面設計,腹板的剪切強度要求,相當腹板剪切面積平均值：,滿足腹板剪切強度要求腹板的面積應該為：,CompanyLogo,型材剖面設計,抗彎強度與抗剪強度關系要求梁具有相同的剪切強度和彎曲強度，則由于材料的許用剪切應力為,剪切和彎曲強度相同的條件為：,CompanyLogo,型材剖面設計,型材的穩(wěn)定性計算型材的局部穩(wěn)定性1、翼板的穩(wěn)定性力學模型：三邊自由支持，一邊自由,2、腹板的穩(wěn)定性,四邊自由支持，四邊承受剪應力和長邊承受彎曲正應力。,CompanyLogo,型材剖面設計,引用俄羅斯巴波考維奇的成果，計算臨界應力。,（1）僅承受線性分布的彎曲正應力時，臨界應力為,CompanyLogo,型材剖面設計,（2）如果彎曲正應力等于零，則臨界剪切應力為,CompanyLogo,型材剖面設計,（3）如果腹板同時承受彎曲正應力和剪切應力，則板的失穩(wěn)條件為,為最大壓應力。,將彎曲和剪切臨界應力公式分別代入上式，得,CompanyLogo,型材剖面設計,或者整理得到：,m-腹板高度與厚度得比值。比值m大，不利于穩(wěn)定，減小m值，穩(wěn)定性增加。,CompanyLogo,型材剖面設計,強度與穩(wěn)定性的矛盾要求：（1）保持腹板面積不變，減小板厚，增加腹板高度，抗彎慣性矩增加，有利于強度；（2）保持腹板面積不變，增加板厚，減小腹板高度，抗彎慣性矩減小，不利于強度，但是腹板的m值減小，有利于腹板的穩(wěn)定性。（3）為了兼顧強度和穩(wěn)定性，必須選取合適的m值，船舶工程中，一般取m=70100。,CompanyLogo,型材剖面設計,型材整體的穩(wěn)定性1、型材總穩(wěn)定性問題的提出倉壁扶強材等一類構件承受水壓力,在壓力較小時，構件的彎曲在腹板的平面內發(fā)生，當壓力載荷增加到超過一定數值時，構件向腹板平面外發(fā)生彎曲，即側向彎曲，也稱為側向失穩(wěn)。側向失穩(wěn)屬于型材總穩(wěn)定性問題，如果型材總穩(wěn)定性不足，則會導致結構的整體破壞，例如整個倉壁發(fā)生破壞。型材側向失穩(wěn)如下圖所示。,CompanyLogo,型材剖面設計,圖構件側向失穩(wěn),CompanyLogo,型材剖面設計,2、型材總穩(wěn)定性臨界壓力集度的確定型材總穩(wěn)定性的分析模型為：倉壁板對扶強材提供抗轉約束，扶強材端部的約束取為自由支持。,圖承受水壓的扶強材,CompanyLogo,型材剖面設計,水壓的最大集度為。研究在圖示水壓力作用下，型材的總體穩(wěn)定性。,采用如下的分析模型，計算最大臨界壓力集度。,CompanyLogo,型材剖面設計,圖扶強材剖面及約束,表示單位寬度艙壁板對于扶強材的抗轉約束,CompanyLogo,型材剖面設計,圖中，梁為單位寬度的板條梁；b-扶強材間距。求出單位力矩作用下板條梁的轉角，則抗扭剛度為,扶強材的臨界壓力集度可查表確定。,CompanyLogo,型材剖面設計,圖臨界壓力集度系數表,CompanyLogo,型材剖面設計,3、