船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)

StructuralMechanicsofShip

是船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造的理論依據(jù)。船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)的三個(gè)基本命題：

1、環(huán)境與載荷（外部作用）；

2、結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析（靜力分析、穩(wěn)定性分析和動(dòng)力響應(yīng)分析）；

3、危險(xiǎn)狀態(tài)、強(qiáng)度衡準(zhǔn)及強(qiáng)度儲(chǔ)備。船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)還包括以下內(nèi)容：1、疲勞與斷裂分析（在周期性交變載荷作用下船體材料和結(jié)構(gòu)的承載能力)；2、造船材料要求與船體金屬耗量的優(yōu)化分析；3、工藝力學(xué)；4、船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析的一些特殊力學(xué)問(wèn)題。（船舶進(jìn)塢及下水強(qiáng)度、溫度對(duì)船體結(jié)構(gòu)的作用及船舶抗冰強(qiáng)度）教學(xué)目的：

1、通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)的基本理論與方法；2、力求培養(yǎng)學(xué)生船舶結(jié)構(gòu)分析與計(jì)算等方面的能力；3、培養(yǎng)學(xué)生自學(xué)和獨(dú)立思考能力，以便在走上工作崗位后，能通過(guò)自學(xué)不斷地吸收新知識(shí)，開(kāi)拓新領(lǐng)域，研究新問(wèn)題，探求新的機(jī)理，充分發(fā)揮自己的才能。本課程特點(diǎn)：

1、本課程不但理論概念性比較強(qiáng)，而且方法技巧性要求高。理論概念需要通過(guò)練習(xí)來(lái)加深理解，方法技巧則需要通過(guò)做題來(lái)熟練掌握。2、課程前面的內(nèi)容是后面內(nèi)容的基礎(chǔ)，相互間關(guān)系密切（如單跨梁彎曲理論是力法的基礎(chǔ)，在位移法中要使用力法的成果，而位移法又是矩陣法的理論基礎(chǔ)等等）。必須切實(shí)掌握前面的基礎(chǔ)知識(shí)，才能學(xué)好后面的內(nèi)容。

教學(xué)要求：

1、掌握單跨梁的彎曲理論（初參數(shù)法、單跨梁力法等)；2、掌握結(jié)構(gòu)力學(xué)的經(jīng)典方法—力法、位移法、能量法及矩陣法（桿系有限元法）；3、了解桿件的扭轉(zhuǎn)理論；4、了解穩(wěn)定性理論。

學(xué)習(xí)方法：

1、認(rèn)真做好課堂筆記;2、要熟記解題要點(diǎn)和步驟;3、多做計(jì)算題;

4、重視基本概念的理解與掌握；

做題（主要是計(jì)算題）的重要性：

做題是對(duì)原理和方法的應(yīng)用，通過(guò)解題可以加深對(duì)原理和方法的理解。解題的過(guò)程對(duì)學(xué)生的分析能力、表達(dá)能力、運(yùn)算能力和校核能力都可以得到訓(xùn)練和提高。

本課程與“電算”

(用計(jì)算機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析計(jì)算)的關(guān)系：

科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，特別是電子計(jì)算技術(shù)的迅猛發(fā)展及其在船舶科技領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，極大地改觀了傳統(tǒng)的船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析理念，涌現(xiàn)出許多新的船舶設(shè)計(jì)方法。1、“電算”并不排斥結(jié)構(gòu)力學(xué)的基本理論，而是需要更加重視基本概念、基本理論和基本方法的學(xué)習(xí)；2、能量法、矩陣法和有限元法是“電算”的基礎(chǔ)。教學(xué)重點(diǎn)：?jiǎn)慰缌旱膹澢碚?、力法、位移法、能量法、矩陣法。教學(xué)難點(diǎn)：能量法、矩陣法（桿系有限元法）。第一章緒論第二章單跨梁彎曲理論第三章力法第四章位移法第五章矩陣法（桿系有限元法）第六章能量法第七章穩(wěn)定性理論第八章桿件的扭轉(zhuǎn)理論參考教材及參考文獻(xiàn)：[1]舒恒煜、譚林森.船舶結(jié)構(gòu)力學(xué).武漢：華中科技大學(xué)出版社，1992年5月第一版[2]陳鐵云、陳伯真.船舶結(jié)構(gòu)力學(xué).上海：上海交通大學(xué)出版社，1991年7月第一版參考書目：[3]陳伯真、阮先政.船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)習(xí)題集.上海：上海交通大學(xué)出版社，1994年7月第一版；[4]李人憲.有限元法基礎(chǔ).北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2006年2月（第二版）考核方法：本課程為考試課（閉卷），期末試卷占學(xué)生總成績(jī)的70%，平時(shí)成績(jī)占30%。平時(shí)成績(jī)主要根據(jù)上課討論發(fā)言情況、課堂練習(xí)表現(xiàn)、單元測(cè)驗(yàn)、平時(shí)作業(yè)質(zhì)量來(lái)評(píng)定。第一章緒論§1-1

船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)的內(nèi)容與任務(wù)一.基本概念1、結(jié)構(gòu)：一種由單元構(gòu)件組合并具有支承能力的物體，它能承受載荷，也能傳遞載荷。2、結(jié)構(gòu)力學(xué)：描述和預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)體系力學(xué)性能的基礎(chǔ)知識(shí)。3、船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)：研究在給定的外載荷下如何確定船體結(jié)構(gòu)中的內(nèi)力與變形（包括研究受壓構(gòu)件的穩(wěn)定性）。是研究船體結(jié)構(gòu)靜力響應(yīng)的一門課程船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)的首要任務(wù)：

闡明結(jié)構(gòu)力學(xué)的基本原理與方法。即闡明經(jīng)典的力法、位移法及能量原理，然后應(yīng)用它們解決船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)所要研究的問(wèn)題。

船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)的其他任務(wù)：

闡明有限元法的基本原理及其在船體結(jié)構(gòu)計(jì)算中的應(yīng)用，即闡明矩陣法（桿系有限元法）及平面應(yīng)力問(wèn)題的有限元法等。4、船體梁：把船整體當(dāng)作一根梁（空心變截面梁）靜置于靜水中或波浪上，以研究船體總縱強(qiáng)度等。5、船體總縱強(qiáng)度（總強(qiáng)度）：將船視為船體梁來(lái)研究船在縱向分布的重力與浮力作用下的彎曲變形與應(yīng)力等強(qiáng)度問(wèn)題。思考：靜水、波浪、中拱、中垂。（參考圖1-1、圖片等）中拱、中垂？中拱、中垂？中拱、中垂？載荷曲線有物誤否？6、船體局部強(qiáng)度：船體的橫向構(gòu)件以及局部構(gòu)件抵抗局部載荷直接作用而不產(chǎn)生破壞和超過(guò)允許限度的變形的能力。橫向構(gòu)件：橫梁、肋骨、肋板等。局部構(gòu)件：船底板、底縱桁等。7、穩(wěn)定性：船在總縱彎曲時(shí)船體受壓的構(gòu)件（主要是中垂?fàn)顟B(tài)時(shí)的上層甲板）常常會(huì)因?yàn)槭軌哼^(guò)度而發(fā)生變形，稱其為喪失穩(wěn)定性。8、船體扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度：當(dāng)船舶在斜浪上航行，整個(gè)船體將發(fā)生扭轉(zhuǎn)，船舶抵抗發(fā)生過(guò)大扭轉(zhuǎn)變形或受到破壞的能力。9、應(yīng)力集中：在船體結(jié)構(gòu)不連續(xù)的地方，發(fā)生應(yīng)力匯集或突然增大的現(xiàn)象，將引起構(gòu)件裂縫形成或蔓延。（參見(jiàn)圖1-6及圖片）注：(1)船舶強(qiáng)度（或船體強(qiáng)度）是泛指研究船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的科學(xué)，它包括外力、結(jié)構(gòu)在外力作用下的反應(yīng)即內(nèi)力研究和許用應(yīng)力的確定等一系列的問(wèn)題。(2)船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)則專指研究船體結(jié)構(gòu)的內(nèi)力的問(wèn)題，不研究外力及許用應(yīng)力等方面的問(wèn)題。船體強(qiáng)度計(jì)算則涉及外力（外載荷）及許用應(yīng)力等方面的問(wèn)題。二、學(xué)習(xí)“船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)”的意義：1、雖然當(dāng)前船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大都依照“船舶建造規(guī)范”來(lái)進(jìn)行，但船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)仍是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)?！耙?guī)范”中不少規(guī)定仍來(lái)源于結(jié)構(gòu)力學(xué)的基本理論。2、目前“規(guī)范”越來(lái)越多地有用結(jié)構(gòu)力學(xué)理論來(lái)表達(dá)的趨勢(shì)。掌握船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)會(huì)對(duì)規(guī)范有更深的理解。3、設(shè)計(jì)建造無(wú)規(guī)范可依據(jù)的船舶，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需用船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)的知識(shí)。4、本科后續(xù)課程《船體強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)》、《船體振動(dòng)學(xué)》的基礎(chǔ)。5、船舶與海洋工程專業(yè)研究生入學(xué)考試需要。6、碩研課程《船舶結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)》、《船舶結(jié)構(gòu)有限元》的基礎(chǔ)。7、船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)的基本原理和方法具有一定的普遍意義。

容易過(guò)渡到一般工程結(jié)構(gòu)的計(jì)算，因?yàn)樵硐嗤?。一、傳統(tǒng)的方法：1、將船體的總強(qiáng)度問(wèn)題與橫向強(qiáng)度或局部強(qiáng)度問(wèn)題分開(kāi)考慮，必要時(shí)再把它們的結(jié)果疊加起來(lái)?！?-2船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)的研究方法2、在橫向強(qiáng)度或局部強(qiáng)度問(wèn)題中，常把空間結(jié)構(gòu)拆成平面結(jié)構(gòu)（板架）來(lái)考慮。3、在計(jì)算中把組成船體結(jié)構(gòu)的骨架和板分開(kāi)考慮，將船體板認(rèn)為是支持在骨架上的板，計(jì)算骨架時(shí)，骨架應(yīng)帶有“附連翼板”或稱帶板。

船體中的骨架受力變形時(shí)，和骨架相連的那一部分板始終會(huì)與骨架一起變形，不可分割。在研究骨架時(shí)應(yīng)把與骨架相連的一部分板連同骨架一起考慮。

帶板：與骨架相連的那一部分板。帶板寬度：骨架間距與骨架跨度的1/5中小者。（參見(jiàn)圖1-5）二、當(dāng)前方法：1、可以將總強(qiáng)度問(wèn)題與橫向強(qiáng)度及局部強(qiáng)度問(wèn)題一起考慮，即在確定了船體整個(gè)受力情況的前提下，可將船體各組成結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力與變形一起計(jì)算出來(lái)。2、完全可以計(jì)算空間結(jié)構(gòu)，無(wú)須一定要將空間結(jié)構(gòu)化為平面結(jié)構(gòu)。3、可以不將骨架和板分開(kāi)，而將骨架和板一起考慮。船體結(jié)構(gòu)是由板和骨架等構(gòu)件組成的空間復(fù)雜結(jié)構(gòu)。一、定義：在進(jìn)行船體結(jié)構(gòu)計(jì)算之前將實(shí)際結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化所得的計(jì)算圖形?！?-3船體結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型計(jì)算模型力學(xué)模型計(jì)算圖形

理想化圖形簡(jiǎn)化圖形簡(jiǎn)化模型二、建立計(jì)算模型要考慮的主要因素：

1、實(shí)際結(jié)構(gòu)的受力特征；

2、構(gòu)件之間的相互影響；

3、計(jì)算精度的要求；

4、所采用的計(jì)算方法。三、船體結(jié)構(gòu)計(jì)算中的常見(jiàn)、典型的計(jì)算模型1、板的計(jì)算模型（矩形板）

1）板：是與船體的縱、橫骨架相連接的且通常被縱、橫骨架劃分成許多矩形的板格。

2）板的計(jì)算模型矩形板：四周有縱橫骨架支持的具有矩形周界的板格。例如：對(duì)于縱骨架式船體，其甲板板就被甲板縱桁、縱骨和橫梁劃分成許多矩形的板格（圖1-4a)。（圖1-4a)

若要確定甲板板在甲板載荷作用下所產(chǎn)生的應(yīng)力與變形，則可把甲板板簡(jiǎn)化為四邊剛性固定的矩形板，然后計(jì)算其在甲板載荷q作用下的彎曲應(yīng)力和變形。其計(jì)算圖形如圖1-4b所示。圖1-4b

若要研究船在中垂?fàn)顟B(tài)下縱骨架式甲板板的穩(wěn)定性，則可以把甲板板簡(jiǎn)化為四邊自由支持一對(duì)邊受壓的矩形板來(lái)計(jì)算（圖1-4c）圖1-4c

為了使甲板板的受壓穩(wěn)定性計(jì)算偏于安全，這里的簡(jiǎn)化采用了比較弱的邊界條件，即忽略了縱、橫骨架的抗扭剛度對(duì)板穩(wěn)定性的有利影響。板上荷重分為兩類：（參見(jiàn)下圖）橫荷重：垂直于板平面的荷重，如作用于板上的水壓力；圖1-4c中面荷重：位于板平面內(nèi)的荷重，如在船體總彎曲時(shí)作用于船體甲板平面的應(yīng)力。（參見(jiàn)圖1-5）2、骨架的計(jì)算模型（連續(xù)梁、板架、剛架）就整個(gè)船體來(lái)說(shuō)，船體的骨架系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的空間桿系結(jié)構(gòu)。在實(shí)際計(jì)算時(shí)，尤其是采用經(jīng)典方法計(jì)算時(shí)，常常把桿系簡(jiǎn)化成一些形狀比較規(guī)則的簡(jiǎn)單的計(jì)算圖形。1)桿件（桿）：細(xì)長(zhǎng)的型鋼或組合型材如橫梁、肋骨、肋板、縱骨、縱桁等船體骨架。2)桿件系統(tǒng)（桿系）：相互連接的船體骨架系統(tǒng)。船體的桿系是一個(gè)復(fù)雜的空間系統(tǒng)。

簡(jiǎn)化后的典型桿系：連續(xù)梁；板架；剛架。3)連續(xù)梁（剛性支座上的連續(xù)梁）：兩端以一定的形式固定，中間具有多個(gè)剛性支座，且在橫向荷重作用下的直桿。（注：屬多次靜不定結(jié)構(gòu)。）

以遠(yuǎn)洋干貨船船體結(jié)構(gòu)甲板部分（圖1-7）為例介紹連續(xù)梁模型的建立：（參見(jiàn)圖1-8）甲板縱骨

當(dāng)計(jì)算甲板縱骨在垂直于甲板的載荷作用下的彎曲應(yīng)力與變形時(shí)，可將其取為圖1-6a所示的計(jì)算圖形——兩端剛性固定、中間自由支持在剛性支座上的連續(xù)梁。連續(xù)梁4)板架（交叉梁系）：外載荷垂直于桿系平面而發(fā)生彎曲的平面桿系。以遠(yuǎn)洋干貨船船體結(jié)構(gòu)甲板艙口部分（圖1-7）為例介紹板架模型的建立：（參見(jiàn)圖1-9）（圖1-4a)

在計(jì)算艙口縱桁和艙口端橫梁在垂直于甲板載荷作用下的彎曲應(yīng)力和變形時(shí)，可將其取為圖1-7a所示的井字型平面桿系計(jì)算圖形，即板架。以遠(yuǎn)洋干貨船船體結(jié)構(gòu)艙底部分（圖1-7）為例介紹船底板架模型的建立：（參見(jiàn)圖1-11）主向梁、交叉構(gòu)件板架（交叉梁系）：5)剛架：桿系中各桿的連接點(diǎn)是剛性的，并受到作用于桿系平面內(nèi)的載荷作用。

以遠(yuǎn)洋干貨船船體結(jié)構(gòu)橫向肋骨框架部分（圖1-7）為例介紹剛架模型的建立：（參見(jiàn)圖1-10）

處于船體橫剖面內(nèi)的橫梁、肋骨及肋板。它們共同組成一個(gè)平面桿系，是保證船體橫向強(qiáng)度的主要構(gòu)件。圖1-8a所示的為雙甲板船在艙口處橫剖面的肋骨框架計(jì)算圖形：剛架的進(jìn)一步簡(jiǎn)化：僅由橫梁與肋骨組成的剛架（圖1-8b）考慮到實(shí)際船體結(jié)構(gòu)中肋板的尺寸遠(yuǎn)較肋骨的大，所以計(jì)算時(shí)可將肋骨下端作為剛性固定端。把肋板放到船底板架中去研究，而得。

注：以上介紹的矩形板、連續(xù)梁、板架和剛架是船體結(jié)構(gòu)中比較典型而且比較簡(jiǎn)單的計(jì)算圖形，應(yīng)用結(jié)構(gòu)力學(xué)中的經(jīng)典理論和方法，由手算就能得到結(jié)果。但應(yīng)注意到這些計(jì)算圖形具有一定的近似性。四、空間結(jié)構(gòu)及板梁組合結(jié)構(gòu)

隨著計(jì)算機(jī)的應(yīng)用和發(fā)展，可采用更切合實(shí)際的計(jì)算模型，使結(jié)構(gòu)計(jì)算更加精確可靠。1、空間結(jié)構(gòu)計(jì)算模型舉例：圖1-9大艙口貨船懸臂梁結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型。

該空間桿系計(jì)算模型放棄了以往模型中艙口縱桁剛性支撐懸臂梁的假定，更切合實(shí)際?？赏瑫r(shí)算出甲板縱桁、艙口縱桁、艙口端橫梁、懸臂梁及肋骨的應(yīng)力與變形。2、板梁組合結(jié)構(gòu)計(jì)算模型舉例：

對(duì)于甲板結(jié)構(gòu)，不再人為地把骨架與板分開(kāi)考慮。直接計(jì)算