第三章海洋結(jié)構(gòu)物強(qiáng)度設(shè)計(jì)和分析第一節(jié)材料屬性與常見型材特點(diǎn)載荷分類載荷計(jì)算工況組合材料屬性軟件計(jì)算出應(yīng)力200Mpa，那到底算合格還是不合格？角鋼強(qiáng)度不夠，我換個(gè)大尺寸的扁鋼可以嗎？圖紙上的FB，HP，NV-A什么意思？1.材料屬性1）純鐵具有銀白色金屬光澤2）有良好的延展性、導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能3）有很強(qiáng)的鐵磁性，屬于磁性材料5）在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下熔點(diǎn)為1535℃，沸點(diǎn)為2750℃7）聲音在鐵中的傳播速率：5120m/s6）比熱容為460J/(kg·℃)1.1鐵的物理性質(zhì)鐵制品鐵材1.2鐵的化學(xué)性質(zhì)1）彈性模量E:2.05×1011N/m24）熱膨脹系數(shù)1.2×10-5m/℃2）剪切模量G:0.79×1011N/m2G=E/(2(1+μ)1.3鐵在工程上的重要屬性參數(shù)3）泊松比μ:0.35）屈服強(qiáng)度純鐵約100~170Mpa結(jié)構(gòu)鋼一般大于200Mpa純鐵約100~170Mpa結(jié)構(gòu)鋼一般大于200Mpa船廠最常見的鋼235Mpa1）四個(gè)階段b.塑性階段線性；非線性1.4鐵的屈服強(qiáng)度曲線a.彈性階段c.硬化階段d.頸縮階段2）彈性極限與屈服極限的區(qū)別3）屈服極限與強(qiáng)度極限的差別2.CCSABS鋼材型號(hào)美國船級(jí)社鋼材牌號(hào)2.1A、B、D、E等字母的含義耐低溫特性標(biāo)識(shí)2.2H字母的含義2.3數(shù)字的含義2.4Z字母的含義例：NV-36NV-NS，NV-A大于NV-40的鋼材呢？挪威船級(jí)社鋼材牌號(hào)鋼材標(biāo)識(shí)數(shù)字與屈服極限的關(guān)系2.5W字母的含義材料的可焊接特性得到提升耐低溫特性標(biāo)識(shí)的測(cè)試指標(biāo)不同等級(jí)鋼的化學(xué)成分差異不同等級(jí)鋼的力學(xué)性能差異3.鋼材特殊情況說明1）定義3）折減標(biāo)準(zhǔn)2）原因3.1厚度折減效應(yīng)對(duì)于厚度較大的板的屈服應(yīng)力進(jìn)行相應(yīng)的折減。[25mm,50mm),-20Mpa<25mm,nodiscount[50mm,75mm),-40Mpa......25mm；50mm；75mm；100mm為分界線1）定義3）兩種Z向板的區(qū)別3.2Z向板2）厚度要求(>=15mm)Z25

Z35Z向板Z向示意圖4）Z向板使用范圍吊機(jī)底座，撐桿與立柱連接處防浪墻底部等4.鋼材的選擇1）特殊區(qū)域Special2）主要區(qū)域Primary結(jié)構(gòu)損壞會(huì)導(dǎo)致非常嚴(yán)重的后果，或者增加結(jié)構(gòu)脆裂的風(fēng)險(xiǎn)4.1海洋平臺(tái)區(qū)域劃分結(jié)構(gòu)損壞會(huì)導(dǎo)致比較嚴(yán)重的后果3）次要區(qū)域Secondary結(jié)構(gòu)損壞會(huì)不會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的后果特殊區(qū)域:主要區(qū)域:月池moonpool在甲板和底板角隅的地方，井架底部支撐結(jié)構(gòu)，火炬塔支撐結(jié)構(gòu)，吊機(jī)立柱支撐結(jié)構(gòu)等4）具體劃分主橫梁（miangirder），管支架支撐結(jié)構(gòu)，吊機(jī)立柱，火炬塔，直升機(jī)平臺(tái)支撐結(jié)構(gòu)，鉆井層主要結(jié)構(gòu)，上部建筑/模塊支撐結(jié)構(gòu)，重型設(shè)備（推進(jìn)器，止鏈器chainstopper，導(dǎo)覽器fairlead，卷揚(yáng)機(jī)winch，吊艇柱，拖拉眼板towingbracket等）的支撐結(jié)構(gòu)等次要區(qū)域:鐵舾件（outfittingsteel），中部甲板、平臺(tái)，管支架，堆貨平臺(tái)laydownplatform，樓梯（塔），上部模塊，吊機(jī)支撐結(jié)構(gòu)（boomrest）等4.2區(qū)域，溫度與厚度的關(guān)系5.海洋工程用鋁(鋁合金)1）極限抗拉強(qiáng)度為124Mpa5.1鋁合金的力學(xué)性能(鋁合金6061)（鋁合金7075-T651，拉伸強(qiáng)度572Mpa，屈服強(qiáng)度503Mpa）2）受拉屈服強(qiáng)度55.2Mpa5.2鋁合金優(yōu)點(diǎn)輕（密度低），較硬，耐腐蝕5.3鋁合金缺點(diǎn)造價(jià)高，焊接性差3）延伸率25.0%4）彈性系數(shù)68.9GPa5）彎曲極限強(qiáng)度228MPa6）彎曲屈服強(qiáng)度103MPa7）泊松比0.3308）疲勞強(qiáng)度62.1MPa5.4鋁合金的命名方式四個(gè)數(shù)字：按照第一個(gè)數(shù)字不同，分成6個(gè)系列。1系：屬于含鋁量最多的一個(gè)系列。純度可以達(dá)到99.00%以上。2系：硬度較高，其中以銅元素含量最高，大概在3-5%左右，用于航空領(lǐng)域。3系：由錳元素為主要成分。含量在1.0-1.5之間，用于對(duì)防銹要求高的行業(yè)及產(chǎn)品。5系：屬于較常用的合金鋁板系列，主要元素為鎂，主要特點(diǎn)為密度低，抗拉強(qiáng)度高，延伸率高，疲勞強(qiáng)度好，但不可做熱處理強(qiáng)化。常規(guī)工業(yè)中應(yīng)用也較為廣泛。6系：主要含有鎂和硅兩種元素，適用于對(duì)抗腐蝕性、氧化性要求高的應(yīng)用。7系：屬于航空系列，是鋁鎂鋅銅合金，是可熱處理合金，屬于超硬鋁合金，有良好的耐磨性，也有良好的焊接性，但耐腐蝕性較差。5系、6系與船舶與海洋工程關(guān)系密切。6.海洋工程混凝土由膠凝材料(如水泥)、水和骨料等按適當(dāng)比例配制，經(jīng)混合攪拌，硬化成型的一種人工石材。6.1簡介6.3標(biāo)識(shí)普通混凝土劃分為十四個(gè)等級(jí)，即：C15，C20，C25，C30，C35，C40，C45，C50，C55，C60，C65，C70，C75，C806.4力學(xué)性能抗壓不抗拉鋼筋混凝土的力學(xué)性能6.2使用范圍土木工程，造船業(yè)，機(jī)械工業(yè)，海洋的開發(fā)，地?zé)峁こ痰然炷梁Ｑ笃脚_(tái)扁鋼球扁鋼角鋼T型材工字鋼圓鋼7.型材類型1）用途2）符號(hào)：FB3）參數(shù)(h×b)h—高度b—厚度例：FB100x107.1扁鋼扁鋼示意圖7.2球扁鋼1）用途2）符號(hào)：HP3）參數(shù)(b×t)b—截面寬度t—厚度例：HP180x104）尺寸大小(歐洲標(biāo)準(zhǔn))球扁鋼示意圖7.3角鋼1）符號(hào)：L或者A2）參數(shù)(b×t)b—角鋼的截面寬度t—角鋼的厚度例：L100x50x83）用途4）角鋼和球扁鋼比較角鋼示意圖附加力矩意圖（角鋼）1）符號(hào)：T2）參數(shù)(b×t1_a×t2)b—高度a—上翼緣寬度t1—腹板厚度t2—上翼緣厚度例：T600x15_200x203）用途7.4T型材T型材示意圖1）符號(hào)I，I-bar，IG，H2）參數(shù)(h×b×t1×t2)

h—截面高度b—截面寬度t1—腹板厚度t2—翼緣厚度例：H200x100x8x103）用途7.5工字鋼工字鋼示意圖1）符號(hào)：囗或者Box2）參數(shù)：（囗B×b×t）B—截面長度；b—截面寬度；t—厚度例：Box100x50x87.6方鋼7.7槽鋼1）符號(hào)：一般用型號(hào)表示，比如8#槽鋼2）參數(shù)：（h×b×tw）h—腰部截面高度

b—腿部截面寬度

tw—腰部厚度

方鋼示意圖槽鋼示意圖7.8圓管1）符號(hào)：PipeФ2）參數(shù)：(D×t)D—表示直徑t—表示厚度例：PipeФ457x12.73）用途圓管示意圖4）常見管子型號(hào)（SCH系列）討論題1.40mm厚的NV-B36鋼材，它的屈服應(yīng)力是多少？2.上述的鋼材被用于錨機(jī)winch的基座（該基座被定義為primary等級(jí)），問：在不考慮強(qiáng)度方面問題時(shí)，這樣的設(shè)計(jì)方案合理嗎？3.Bulwark結(jié)構(gòu)（防浪墻）下部落在甲板上，那么船東要求這塊甲板區(qū)域要用Z向板，你們同意船東的意見嗎？4.T400x10_150x15，這是什么型材，參數(shù)都代表什么含義？這個(gè)beam是平臺(tái)拖拉結(jié)構(gòu)的下部加強(qiáng)，經(jīng)過計(jì)算，這個(gè)beam的局部強(qiáng)度不夠（目前應(yīng)力600Mpa，要求控制在300Mpa），且該部位承受很大的剪切力，如何修改（簡單）讓這個(gè)beam滿足強(qiáng)度要求？第三章海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)與分析第二節(jié)屈服強(qiáng)度分析基礎(chǔ)變形前原為平面的橫截面，變形后仍然保持為平面且仍垂直于軸線。1）所有縱向纖維伸長相等2）因材料均勻，各個(gè)纖維受力相等3）內(nèi)力均勻分布，各點(diǎn)正應(yīng)力相等拉壓桿示意圖圣維南原理示意圖墊板受力模擬樓梯受力模擬2.剪切與擠壓剪切：假設(shè)切應(yīng)力在剪切面上是均勻分布的,得實(shí)用切應(yīng)力計(jì)算公式：許用切應(yīng)力，常由實(shí)驗(yàn)方法確定:塑性材料：脆性材料：2.剪切與擠壓擠壓：假設(shè)應(yīng)力在擠壓面上是均勻分布的，得實(shí)用擠壓應(yīng)力公式：*注意擠壓面面積的計(jì)算FF（1）接觸面為平面Abs—實(shí)際接觸面面積（2）接觸面為圓柱面Abs—直徑投影面面積擠壓力

Fbs=F塑性材料：脆性材料：許用擠壓應(yīng)力，常由實(shí)驗(yàn)方法確定3.1圓截面扭轉(zhuǎn)應(yīng)力令抗扭截面系數(shù)

在圓截面邊緣上，有最大切應(yīng)力

橫截面上某點(diǎn)的切應(yīng)力的方向與扭矩方向相同，并垂直于半徑。切應(yīng)力的大小與其和圓心的距離成正比。3.2非圓截面扭轉(zhuǎn)應(yīng)力平面假設(shè)不成立。變形后橫截面成為一個(gè)凹凸不平的曲面，這種現(xiàn)象稱為翹曲。自由扭轉(zhuǎn)（截面翹曲不受約束）約束扭轉(zhuǎn)（各截面翹曲不同）3.2非圓截面扭轉(zhuǎn)應(yīng)力桿件扭轉(zhuǎn)時(shí)，橫截面上邊緣各點(diǎn)的切應(yīng)力都與截面邊界相切。3.2非圓截面扭轉(zhuǎn)應(yīng)力開口/閉口薄壁桿件扭轉(zhuǎn)比較4.彎曲橫截面變形后保持為平面，且仍然垂直于變形后的梁軸線，只是繞截面內(nèi)某一軸線偏轉(zhuǎn)了一個(gè)角度。4.1平斷面假設(shè)aabbmnnmm′a′a′b′b′m′n′n′4.2變形特點(diǎn)凹入一側(cè)纖維縮短突出一側(cè)纖維伸長中間一層纖維長度不變－－中性層中間層與橫截面的交線－－中性軸

設(shè)想梁是由無數(shù)層縱向纖維組成4.3正應(yīng)力M

與中性軸距離相等的點(diǎn)，正應(yīng)力相等；

正應(yīng)力大小與其到中性軸距離成正比；

中性軸上,正應(yīng)力等于零M常見截面的IZ和WZ圓截面矩形截面空心圓截面空心矩形截面4.4橫力彎曲

彈性力學(xué)精確分析表明，當(dāng)跨度l

與橫截面高度h

之比l/h>5

（細(xì)長梁）時(shí)，純彎曲正應(yīng)力公式對(duì)于橫力彎曲近似成立。4.4橫力彎曲橫力彎曲正應(yīng)力公式橫力彎曲最大正應(yīng)力細(xì)長梁的純彎曲或橫力彎曲橫截面慣性積IYZ=0彈性變形階段公式適用范圍4.5彎曲切應(yīng)力FsFs圓截面和工字鋼彎曲切應(yīng)力計(jì)算4.5彎曲切應(yīng)力qBACDElPPa必須考慮彎曲切應(yīng)力的情況梁的跨度較短（l/h<5）；在支座附近作用較大載荷（載荷靠近支座）；鉚接或焊接的工字形或箱形等截面梁（腹板、焊縫、膠合面或鉚釘?shù)龋?.6提高彎曲強(qiáng)度措施1)降低Mmax

合理安排支座合理布置載荷2)增大WZ合理設(shè)計(jì)截面合理放置截面4.6提高彎曲強(qiáng)度措施合理布置支座FFF合理布置載荷F合理設(shè)計(jì)截面合理放置截面5.屈服強(qiáng)度分析問題1：如果有了鋼材的型號(hào)，就能確定它的屈服極限，然后保證在強(qiáng)度校核的時(shí)候結(jié)構(gòu)的應(yīng)力不超過這個(gè)極限，是不是就可以了？問題2：應(yīng)力不超過這個(gè)極限，是哪個(gè)應(yīng)力？選哪個(gè)？A）軸向力；B）剪切力；C）彎曲應(yīng)力；

D）三個(gè)應(yīng)力都考慮5.1四大強(qiáng)度理論1）最大拉應(yīng)力理論（第一強(qiáng)度理論）(材料脆性斷裂的強(qiáng)度理論)2）最大伸長線應(yīng)變理論（第二強(qiáng)度理論）（材料塑性屈服的強(qiáng)度理論）3）最大切應(yīng)力理論（第三強(qiáng)度理論）4）形狀改變比能理論（第四強(qiáng)度理論）（最大變形能理論）基于第四強(qiáng)度理論的綜合應(yīng)力是工程判斷鋼結(jié)構(gòu)是否失效的重要指標(biāo)。5.2評(píng)估屈服強(qiáng)度的應(yīng)力對(duì)板結(jié)構(gòu)1）綜合應(yīng)力（別稱）2）剪切應(yīng)力正式名稱：范梅塞斯應(yīng)力(VonMisesstress)σxd和σyd是板結(jié)構(gòu)平面上的兩個(gè)主向應(yīng)力；τd是板平面上的剪切應(yīng)力要求：綜合應(yīng)力小于材料的屈服極限（安全系數(shù)）要求：剪切應(yīng)力小于材料屈服極限的1/5.2評(píng)估屈服強(qiáng)度的應(yīng)力對(duì)于其他結(jié)構(gòu)（非板殼類）1）厚的板（>50mm），鑄件等參照三維的vonmises應(yīng)力表達(dá)式。2）管子（beam）類的（受軸向壓縮同時(shí)受到彎曲組合作用的構(gòu)件）5.3綜合應(yīng)力知識(shí)點(diǎn)綜合應(yīng)力又叫膜應(yīng)力，D-stress。1）對(duì)于薄板2）應(yīng)力組成板結(jié)構(gòu)平面上的兩個(gè)主向應(yīng)力和平面內(nèi)的剪切應(yīng)力?；诩僭O(shè)：剪切應(yīng)力在板厚方向上是均勻的；實(shí)際情況：剪切應(yīng)力在板厚方向上是不均勻的帶來問題：板越厚，計(jì)算結(jié)果越偏離真實(shí)值（具體情況具體分析，板厚，受力情況）3）誤差根源5.3綜合應(yīng)力知識(shí)點(diǎn)4）上下表面應(yīng)力—Gstress起因：板的綜合應(yīng)力忽略了板厚方向上的彎曲效果。例：板受到一個(gè)板厚方向上的純彎矩（雙手折一塊板），板平面的主應(yīng)力都是0，平面彎矩也是0，綜合應(yīng)力也是0，那么根據(jù)綜合應(yīng)力推出結(jié)構(gòu)就不會(huì)損壞！5.3綜合應(yīng)力知識(shí)點(diǎn)5）綜合應(yīng)力實(shí)際上是板的中面力（一般情況下，中面力足夠評(píng)判結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，上下表面力常常用于評(píng)判疲勞情況）上表面力—upperlayerstress下表面力—lowerlayerstress6.板條梁計(jì)算的方法6.1截面模量的要求(船級(jí)社規(guī)定)l－板條梁跨距（m）；s－骨材之間的間距（m）；pd—壓強(qiáng)（kN/m2）；km－彎矩系數(shù)；σpd2－設(shè)計(jì)彎曲應(yīng)力（N/mm2）；kps－骨材端部固定系數(shù)（兩邊至少一邊固支，取1；兩端都簡支，取0.9）。彎矩系數(shù)km取值6.1截面模量的要求(船級(jí)社規(guī)定)例題：假設(shè)兩艙壁間的甲板厚度為15mm，跨距為5m，甲板下的型材（骨材）為T300x10-150x15，型材間距為0.8m，甲板設(shè)計(jì)載荷為2噸/m2，請(qǐng)按照公式評(píng)估一下甲板強(qiáng)度。（設(shè)計(jì)強(qiáng)度按照200MPa計(jì)算）答案：52*0.8*20/（8*200*0.9）*106=277.78cm3目標(biāo)型材截面參數(shù)（板條梁）7.螺栓的簡單強(qiáng)度校核7.1螺栓等級(jí)例8.8級(jí)的螺栓M20X55各代表什么含義7.螺栓的簡單強(qiáng)度校核7.2螺栓標(biāo)注例8.8級(jí)的螺栓M20X55各代表什么含義7.3螺栓剪切強(qiáng)度校核FF｛｛｝｝FsFsnnFmm7.4基座螺栓強(qiáng)度分析第三章海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)與分析第三節(jié)梁理論1.簡單梁理論a）抗彎、抗剪強(qiáng)度b）剪切面積——平均切應(yīng)力1.1簡支梁--集中載荷1）剪切力圖2）彎矩圖zzzzzzzzzzzz1.2固支梁--集中載荷1）剪切力圖2）彎矩圖1.3簡支梁--均布載荷1）剪切力圖2）彎矩圖p1.4固支梁--均布載荷1）剪切力圖2）彎矩圖1.5強(qiáng)度校核時(shí)需要額外關(guān)注的區(qū)域1.6彈性約束下梁的應(yīng)力狀況1.7現(xiàn)實(shí)海洋工程結(jié)構(gòu)中約束的界定彈性約束啥約束1）肘板對(duì)約束的效果：固支約束1.7現(xiàn)實(shí)海洋工程結(jié)構(gòu)中約束的界定空艙/滿艙對(duì)約束的影響空艙滿艙滿艙滿艙2）載荷對(duì)約束的效果：對(duì)稱載荷——固支約束非對(duì)稱載荷——簡支約束約束和結(jié)構(gòu)，載荷有關(guān)1.8梁的有效跨距a兩端約束；b肘板大?。ㄓ袩o）1）研究有效跨距的意義2）影響因素梁的有效長度計(jì)算示意圖2.工字鋼和T型材的校核2.1型材的彎曲應(yīng)力計(jì)算2.工字鋼和T型材的校核2.2型材的剪切應(yīng)力計(jì)算2.3彎曲剪切應(yīng)力流工字鋼應(yīng)力流3.船體梁校核1）彎矩大——甲板、底板2）剪切力大——縱艙壁3.1船體結(jié)構(gòu)校核(總縱強(qiáng)度分析)3.2修改目標(biāo)船體等效梁示意圖4.開孔位置選擇彎矩、剪切力??；應(yīng)力較小4.1打孔位置選擇標(biāo)準(zhǔn)4.2不能打孔的位置兩端，中間，肘板附近5.剪切滯后（ShearLag)5.1事故5.2定義箱型梁箱型結(jié)構(gòu)肋板翼板第三章海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)與分析第四節(jié)屈曲強(qiáng)度分析基礎(chǔ)1.壓桿穩(wěn)定的概念在材料力學(xué)中，衡量構(gòu)件是否具有足夠的承載能力，要從三個(gè)方面來考慮：強(qiáng)度剛度穩(wěn)定性1.1穩(wěn)定性構(gòu)件在外力作用下，保持其原有平衡狀態(tài)的能力?？ㄜ囈簤号e升缸雜技表演“銀槍刺喉”1.2研究目標(biāo)工程實(shí)際中有許多穩(wěn)定性問題，但本章主要討論壓桿穩(wěn)定問題，這類問題表現(xiàn)出與強(qiáng)度問題截然不同的性質(zhì)。踩易拉罐損壞的護(hù)欄損壞的汽車外殼1.3平衡的分類壓桿失穩(wěn)就是屬于不穩(wěn)定平衡狀態(tài)，而一般彈性變形就屬于穩(wěn)定平衡狀態(tài)。穩(wěn)定平衡微小擾動(dòng)就使小球遠(yuǎn)離原來的平衡位置不穩(wěn)定平衡微小擾動(dòng)使小球離開原來的平衡位置，但擾動(dòng)撤銷后小球回復(fù)到平衡位置2.屈曲的概念壓桿喪失直線狀態(tài)的平衡，過渡到曲線狀態(tài)的平衡。稱為喪失穩(wěn)定，簡稱失穩(wěn)，也稱為屈曲，或者歐拉屈曲。壓桿的穩(wěn)定性試驗(yàn)壓力等于臨界力特點(diǎn)：1）大變形2）變形不可逆3）結(jié)構(gòu)受壓（或剪切）4）結(jié)構(gòu)應(yīng)力低（相對(duì)屈服極限）船舶與海工結(jié)構(gòu)屈曲破壞（現(xiàn)場(chǎng)圖）4.歐拉力（臨界力）4.1定義*n代表?xiàng)U彎曲成幾個(gè)圓弧。n=1n=2n=3n=4TTl4.2長度系數(shù)取值μ是長度系數(shù)，和邊界約束有關(guān)長度系數(shù)μ取值（英文版）4.3臨界力計(jì)算例題已知：兩端鉸支的細(xì)長壓桿，橫截面為直徑d=50mm的圓，材料為Q235普通鋼，即σS=235Mpa，彈性模量E=200GPa，試求其臨界力。解：截面慣性矩臨界壓力4.4歐拉公式的適用范圍經(jīng)驗(yàn)公式1)臨界應(yīng)力慣性半徑（回轉(zhuǎn)半徑）4.4歐拉公式的適用范圍經(jīng)驗(yàn)公式2)歐拉公式適用范圍{桿長約束條件截面形狀尺寸

集中反映了桿長、約束條件、截面形狀尺寸對(duì)的影響。歐拉公式只適用于大柔度壓桿當(dāng)即令4.4歐拉公式的適用范圍經(jīng)驗(yàn)公式3)中小柔度桿臨界應(yīng)力計(jì)算(小柔度桿)(中柔度桿)a、b—材料常數(shù)當(dāng)即經(jīng)驗(yàn)公式（直線公式）令4.4歐拉公式的適用范圍經(jīng)驗(yàn)公式壓桿柔度μ四種取值情況，臨界柔度—比例極限—屈服極限(小柔度桿)(中柔度桿)臨界應(yīng)力(大柔度桿)歐拉公式直線公式強(qiáng)度問題臨界應(yīng)力總圖5.壓桿的穩(wěn)定校核解：CD梁AB桿

已知托架D處承受載荷F=10kN。AB桿外徑D=50mm，內(nèi)徑d=40mm，材料為Q235鋼，E=200GPa，=100，[nst]=3。校核AB桿的穩(wěn)定性。例題5.壓桿的穩(wěn)定校核AB桿AB為大柔度桿AB桿滿足穩(wěn)定性要求6.提高壓桿穩(wěn)定性的措施歐拉公式g越大越穩(wěn)定減小壓桿長度l減小長度系數(shù)μ（增強(qiáng)約束）增大截面慣性矩I（合理選擇截面形狀）增大彈性模量E（合理選擇材料）1）減小壓桿長度l2）減小長度系數(shù)μ（增強(qiáng)約束）3）增大截面慣性矩I（合理選擇截面形狀）7.屈曲分析（圓筒）7.1圓筒（例）屈曲的基本概念7.2失穩(wěn)形式1）側(cè)向失穩(wěn)7.屈曲分析（圓筒）7.1圓筒（例）屈曲的基本概念7.2失穩(wěn)形式2）軸向失穩(wěn)3）局部失穩(wěn)7.屈曲分析（圓筒）7.3臨界壓力7.4臨界壓應(yīng)力Pcrσcr7.5圓筒分類1）長圓筒7.屈曲分析（圓筒）2）短圓筒式中R——圓筒中面半徑，mm；n——波數(shù)，可用下式進(jìn)行計(jì)算。7.屈曲分析（圓筒）3）剛性筒類似剛性筒的樹樁無需計(jì)算屈曲強(qiáng)度8.1不需要屈曲強(qiáng)度校核的板8.2按照規(guī)范計(jì)算板的屈曲強(qiáng)度（舉例：未加筋板）1）臨界應(yīng)力s：板的寬度γM：材料安全系數(shù)t：板的厚度fcr：彈性板的屈曲強(qiáng)度fy：材料的屈服強(qiáng)度7.屈曲分析（圓筒）8.2屈曲要求8.3有效寬度9.1梁的屈曲校核1）經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算（半手算）結(jié)果顯示2）軟件計(jì)算9.2板的屈曲校核1）經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算（手算）9.2板的屈曲校核2）有限元計(jì)算（半手算）第三章海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)與分析第五節(jié)疲勞強(qiáng)度校核基礎(chǔ)1.疲勞事故2002年5月25日，機(jī)上共有207名乘客和19名機(jī)組成員。這架編號(hào)為CI611的波音747客機(jī)是15時(shí)08分從臺(tái)北桃園機(jī)場(chǎng)起飛的，15時(shí)33分從雷達(dá)屏幕上消失?！叭A航”空難證據(jù)公布金屬疲勞是飛機(jī)解體主因。1）案例1空難示意圖飛機(jī)空中解體意圖1.疲勞事故1998年6月3日，德國一列高速列車在行駛中突然出軌，造成100多人遇難身亡的嚴(yán)重后果。事后經(jīng)過調(diào)查，人們發(fā)現(xiàn)，造成事故的原因竟然是因?yàn)橐还?jié)車廂的車輪內(nèi)部疲勞斷裂而引起。從而導(dǎo)致了這場(chǎng)近50年來德國最慘重鐵路事故的發(fā)生。2）案例2高鐵事故1.疲勞事故1981年初，歐洲北海油田“基爾蘭”號(hào)平臺(tái)覆滅，死亡123人，原因疲勞破壞，橫梁在海浪的交變應(yīng)力作用下，橫梁承孔邊裂縫，當(dāng)時(shí)大風(fēng)掀起7米巨浪，10105噸的浮臺(tái)沉沒于大海之中。3）案例3“基爾蘭”號(hào)半潛式平臺(tái)“基爾蘭”傾覆事故2.疲勞破壞特點(diǎn)2.1疲勞破壞的特征（1-3*）1）破壞時(shí)的最大應(yīng)力遠(yuǎn)低于材料的抗拉強(qiáng)度極限，甚至低于材料的屈服極限。2）不論是塑性材料還是脆性材料，疲勞破壞都呈脆性斷裂的特征，破壞前無明顯的塑性變形，破壞突然發(fā)生，所以有很大的危險(xiǎn)性。3）在發(fā)生疲勞破壞之前受到一定量的交變應(yīng)力的影響。對(duì)稱循環(huán)*交變應(yīng)力：周期變化的應(yīng)力非對(duì)稱循環(huán)2.1疲勞破壞的特征（1-3*）說明：復(fù)雜的波形可以分解成若干簡諧波的疊加，所以交變應(yīng)力范疇其實(shí)很大，

只要應(yīng)力在某一數(shù)值附近反復(fù)波動(dòng)即可。這。。這。。也算交變應(yīng)力？2.1疲勞破壞的特征（1-3*）4）疲勞破壞的特征4（了解）從斷口的形貌來看先在構(gòu)件的高應(yīng)力區(qū)的表面缺陷處形成疲勞源隨著應(yīng)力循環(huán)次數(shù)的增加，裂紋逐漸擴(kuò)展，在這一過程中，由于裂紋兩側(cè)表面的研磨，寫成了光滑區(qū)。隨著裂紋擴(kuò)展，構(gòu)件的截面逐漸削弱，直至不能承擔(dān)載荷而突然斷裂，形成斷口上的粗糙區(qū)。

疲勞源光滑區(qū)粗糙區(qū)

疲勞破壞表征--裂紋crack3.疲勞破壞成因這是因?yàn)榻饘俦砻婧蛢?nèi)部結(jié)構(gòu)并不均勻，從而造成應(yīng)力傳遞的不平衡，有的地方會(huì)成為應(yīng)力集中區(qū)。與此同時(shí)，金屬內(nèi)部的缺陷處還存在許多微小的裂紋。在力的持續(xù)作用下，裂紋會(huì)越來越大，材料中能夠傳遞應(yīng)力部分越來越少，直至剩余部分不能繼續(xù)傳遞負(fù)載時(shí)，金屬構(gòu)件就會(huì)全部毀壞。1.應(yīng)力集中3.疲勞破壞成因?qū)τ谒苄圆牧?，?dāng)材料即使是經(jīng)受比屈服極限低得多的交變應(yīng)力作用時(shí)，材料內(nèi)部也會(huì)激發(fā)位錯(cuò)滑移（dislocationslip）。在一次加載時(shí)，這一塑性應(yīng)變的量非常小，不會(huì)有什么影響。然而，在許多次的應(yīng)力循環(huán)下，在這滑移面附近會(huì)逐漸產(chǎn)生硬化(workhardening)。塑性應(yīng)變逐漸積累，結(jié)果產(chǎn)生微裂縫。這些裂縫數(shù)量逐漸增加，并擴(kuò)展，最終達(dá)到臨界大小，引起材料斷裂。2.位錯(cuò)(晶體學(xué)缺陷)4.S-N曲線4.1歷史：1850~1860,W?hler先生用試驗(yàn)方法研究了車軸的斷裂事故，提出了應(yīng)力-壽命圖（S-N)和疲勞極限概念。N104105106107108

a對(duì)稱循環(huán)應(yīng)力下的試件的疲勞如果材料的S－N曲線表現(xiàn)出這種漸近趨勢(shì)，這一應(yīng)力值稱為材料的持久極限（endurancelimit）?；蚱跇O限（fatiguelimit）。鋼材通常有清楚的水平漸近線。4.S-N曲線4.2疲勞極限的物理意義所有應(yīng)力幅均小于該值的應(yīng)力循環(huán)不產(chǎn)生疲勞損傷。某些有色金屬或合金材料的S－N曲線沒有水平漸近線，一般取N0＝（5—10）107所能承受的最大應(yīng)力作為疲勞極限，稱為名義疲勞極限，N0稱為材料的疲勞壽命。4.3對(duì)稱循環(huán)應(yīng)力下的試件的疲勞從試驗(yàn)得知，鋼材的疲勞極限與強(qiáng)度極限之間存在如下的近似關(guān)系，在缺乏試驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)可對(duì)疲勞極限做一粗略估計(jì)：彎曲

－10.4b

拉壓

－10.28b

扭轉(zhuǎn)

－10.23b

4.S-N曲線4.4S-N曲線方程或者：英國能源部經(jīng)修正的非管節(jié)點(diǎn)的8根基本S-N曲線S—N曲線參數(shù)（空氣中）疲勞極限（107）5.Miner累積損傷理論（線性疲勞累積損傷理論）材料在各個(gè)應(yīng)力幅下的疲勞累積損傷是獨(dú)立的，總損傷可以線性累加的。假設(shè)應(yīng)力幅σ1作用n1次，在該應(yīng)力水平下結(jié)構(gòu)出現(xiàn)疲勞破壞的循環(huán)次數(shù)是N1，那么該部分應(yīng)力循環(huán)對(duì)結(jié)構(gòu)的疲勞損傷就是n1/N1，總損傷D就是各級(jí)應(yīng)力幅值循環(huán)的累加：一般認(rèn)為累積損傷D達(dá)到1，結(jié)構(gòu)就發(fā)生疲勞破壞了。局限：忽略了載荷的施加順序六疲勞安全系數(shù)DFF安全系數(shù)DFF（Designfatiguefactors）一般意義上，DFF=10，意味著D達(dá)到0.1（20年設(shè)計(jì)壽命），結(jié)構(gòu)就發(fā)生疲勞損壞。六疲勞安全系數(shù)DFF總損傷D達(dá)到0.1，是不是意味著疲勞應(yīng)力幅值可以擴(kuò)大10倍？7.韋布爾分布經(jīng)過大量的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)在服役期間受到疲勞應(yīng)力可以用韋布爾函數(shù)擬合。7.1統(tǒng)計(jì)學(xué)相關(guān)知識(shí)7.2韋布爾函數(shù)（Weibulldistribution）β：形狀參數(shù)（h）α：尺度參數(shù)8.循環(huán)次數(shù)8.1循環(huán)次數(shù)的含義（應(yīng)力的循環(huán)次數(shù)N）一天多少秒？一年多少秒？*海浪周期6-8秒左右一天內(nèi)海洋結(jié)構(gòu)的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)20年內(nèi)海洋結(jié)構(gòu)的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)對(duì)于一般海洋工程結(jié)構(gòu)物，

104的意義，與108的意義，以及108.7的意義。8.2低周疲勞與高周疲勞循環(huán)次數(shù)小于104大應(yīng)力范圍具體實(shí)例：平臺(tái)浮運(yùn)，打壓載水等1）低周期循環(huán)次數(shù)大于104小應(yīng)力范圍具體實(shí)例：波浪力影響，渦激振動(dòng)等2）高周疲勞*疲勞應(yīng)力幅判斷標(biāo)準(zhǔn)（重要的表）根據(jù)設(shè)計(jì)疲勞壽命和安全系數(shù)確定疲勞利用率η根據(jù)疲勞利用率η確定應(yīng)力幅的折減系數(shù)9.疲勞評(píng)估流程例子：假設(shè)一處結(jié)構(gòu)的疲勞曲線使用E-curve（S-N曲線），這處結(jié)構(gòu)經(jīng)查表，發(fā)現(xiàn)他的安全系數(shù)DFF=2，考慮到服役期間內(nèi)的應(yīng)力分布的形狀參數(shù)h=0.9，如何確定結(jié)構(gòu)在25年的設(shè)計(jì)壽命內(nèi)是否會(huì)發(fā)生疲勞破壞呢？E&h=0.9--284.9MpaDFF&25y--0.4η=0.4&h=0.9--0.779得到：該結(jié)構(gòu)服役25年，只需要他的最大應(yīng)力幅值小于284.9Mpa×0.779，那么這個(gè)結(jié)構(gòu)就被認(rèn)為不會(huì)發(fā)生疲勞破壞。9.疲勞評(píng)估流程現(xiàn)在面臨問題：1.如何針對(duì)不同結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)不同部位，選取合適的S-N曲線。2.疲勞應(yīng)力是什么？3.如何讀取疲勞應(yīng)力范圍。10.應(yīng)力集中應(yīng)力集中：指物體中應(yīng)力局部增高的現(xiàn)象，一般出現(xiàn)在物體形狀急劇變化的地方，如缺口、孔洞、溝槽以及有剛性約束處。10.1應(yīng)力集中系數(shù)10.應(yīng)力集中英文縮寫SCF反映應(yīng)力集中程度的系數(shù)。SCF=熱點(diǎn)應(yīng)力/名義應(yīng)力10.2熱點(diǎn)應(yīng)力能真實(shí)反映幾何突變帶來的高應(yīng)力，細(xì)網(wǎng)格計(jì)算出的應(yīng)力。10.3名義應(yīng)力不能反映幾何突變的應(yīng)力值，粗網(wǎng)格計(jì)算出的應(yīng)力或者手算出的應(yīng)力。常見結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中系數(shù)常見開孔應(yīng)力集中系數(shù)S-N曲線的選擇12.基于Miner累積損傷理論的疲勞計(jì)算具體問題總的來說，根據(jù)不同的校核部位，選取不同的S-N曲線（參照規(guī)范圖示）。上面是參照有限元計(jì)算（或手算）得到的名義應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，不是關(guān)鍵點(diǎn)的真實(shí)應(yīng)力值（一般遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于真實(shí)值）。麻煩??！要是能直接讀數(shù)，直接查S-N曲線多好！根據(jù)有限元的讀數(shù)（txt網(wǎng)格），用D曲線就可以了。12.1疲勞應(yīng)力過一點(diǎn)任意斜面上的正應(yīng)力和切應(yīng)力，隨著斜面方向角而變化。如果某一斜面上只有正應(yīng)力，切應(yīng)力為零，則該斜面稱為主平面，該應(yīng)力稱為主應(yīng)力。主應(yīng)力principlestress12.2疲勞應(yīng)力的讀取有限元網(wǎng)格取txt距離熱點(diǎn)最近的兩個(gè)單元（0.5t，1.5t）進(jìn)行讀數(shù)，然后根據(jù)兩個(gè)讀數(shù)進(jìn)行插值，得到熱點(diǎn)的疲勞應(yīng)力。12.3現(xiàn)實(shí)操作中的讀數(shù)1）疲勞點(diǎn)的應(yīng)力幅值近似等于1.12倍的距離0.5t單元的讀數(shù)。2）同時(shí)，S-N曲線每根曲線之間的應(yīng)力幅值倍數(shù)也近似于1.12倍。Q：想想，怎么讓讀數(shù)更加簡單？12.4疲勞讀數(shù)--方向焊接結(jié)構(gòu)最容易發(fā)生破壞的地方是焊縫。主應(yīng)力是兩個(gè)相互垂直的力P1&P2，如果最大的主應(yīng)力垂直于焊縫，或者最大主應(yīng)力平行于焊縫，哪種情況焊縫容易壞？12.5考察真實(shí)的應(yīng)力循環(huán)狀態(tài)疲勞強(qiáng)度還算不過怎么辦？1）不同的工況2）不同的方向3）實(shí)際的受力狀態(tài)12.6減少疲勞破壞的設(shè)計(jì)方案1）直角改圓角，或者加肘板過渡3）增加結(jié)構(gòu)，分散高應(yīng)力2）圓角半徑加大4）增加位移，降低剛度5）減少疲勞載荷12.7施工后補(bǔ)救措施1）打磨Grinding12.7施工后補(bǔ)救措施2）熔修TIGdressing3）錘擊Hammerpeening12.8疲勞強(qiáng)度校核范例chainlocker錨鏈艙室疲勞校核建模建模內(nèi)部施加約束1）屈服強(qiáng)度校核12.8疲勞強(qiáng)度校核范例2）屈曲強(qiáng)度校核12.8疲勞強(qiáng)度校核范例3）板厚，型材手算（rulecheck）4）變形大小評(píng)估最后--進(jìn)行疲勞計(jì)算12.8疲勞強(qiáng)度校核范例5）疲勞強(qiáng)度校核1.確定疲勞載荷波浪力，止鏈器拉力（按照百年一遇的工況載荷計(jì)算，這里大約是0.56倍的M.B.L）2.局部細(xì)化網(wǎng)格進(jìn)行有限元計(jì)算在原來的模型里面細(xì)化網(wǎng)格，或者用單獨(dú)局部模型t×t網(wǎng)格3.關(guān)鍵區(qū)域讀數(shù)讀數(shù)P1-upP1-lowP2-upP2-low取最大值（絕對(duì)值）第三章海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)與分析第六節(jié)非線性分析&碰撞分析1.概念指量與量之間按比例、成直線的關(guān)系線性linear指不按比例、不成直線的關(guān)系非線性non-linear1.概念從一般的角度來說，固體力學(xué)中所有的現(xiàn)象都是非線性的。對(duì)于許多工程實(shí)際問題，近似地用線性理論來處理可以使計(jì)算簡化，并且符合工程上的精度要求。但是對(duì)于工程中的一些問題，就