船舶强度与结构设计授课教案

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1、船舶强度与结构设计第一章 船舶静置在波浪上的外力计算1-1 概述一、 一、 计算模型（船体梁响应、工程梁响应、带支座的船体梁模型、不带支座的船体梁模型）船在静水中处于平衡位置时，必需满足两个条件：作用在船体上的浮力等于船的重量；重心和浮心在同一铅垂线上。（符号与坐标的选择）。二、 二、 求解思路按梁的弯曲理论式中M计算断面上的弯矩；I船体断面相对水平中性轴的惯性矩；Z计算应力点至中性轴的距离。1-2载荷与剪力、弯矩的基本关系一、平衡关系式二、外力求解通过截面法来求解船体梁上的内力。三、重量曲线的绘制（数字法）重心纵坐标如何求解合力矩定理1、平面汇交力系的合力对于平面的任一点之矩等于所有各分合力

2、对于该点的代数和。2、平面任意力系的合力对作用而内任一点的矩等于力系中各力对同一点的代数和。（合力矩定理） 1-3重量分布估算一、重量分类船体重量是由空载重量和货物重量共同组成的，因此可用空载重量曲线和货物重量曲线组成各种给定装载状态下的船体重量曲线。二、重量曲线的绘制空载重量曲线如何绘制？货物重量曲线如何绘制？三、重量、重心的数值估算1-4浮力分布估算一、 一、 浮力成因二、 二、 邦戎曲线与浮力曲线三、 三、 纵倾调整首吃水：尾吃水：注意到实船的RKB，故在上式中近似取R-KBR。确定首尾吃水之后，利用邦戎曲线求出对应于该吃水线时的浮力曲线。于是可计算出排水体积和浮心纵坐标的第一次近似值。

3、需判断：若满足上述条件，则纵倾调整完毕；否则，需进行下一次调整时船舶将上浮或下沉,直到调整满足条件为止。1-5载荷、剪力、弯矩曲线一、 一、 载荷曲线二、 二、 剪力曲线三、弯矩曲线由于船体两端是自由端，因此，首尾端点处的剪力和弯矩为零，亦即剪力和弯矩曲线在端点是封闭的。同时，由于载荷、剪力和弯矩之间有下列微分关系所以剪力曲线与纵轴相交处弯矩为极值；端点处剪力为零，所以弯矩曲线与纵轴在该点相切。这些性质均可作为检查计算结果的依据。若不满足条件，需进行修正。1-6 波浪附加弯矩计算一、计算模型由于船型多由船舶性能和使用要求决定，因此船舶的静波浪弯矩，其大小主要决定于波浪要素及波浪与船舶的相对位置

4、。1、 1、 波浪要素选取 波长、波形及波高。目前最为广泛应用的是坦谷波理论。根据这一理论，二维波的剖面是坦谷曲线形状。坦谷波曲线形状的特点是：波峰陡峭，波谷平坦，波浪与曲线上下的剖面积不相等，故称滑坦谷波。(1) (1) 波长的选取在船长范围内将有几个波峰和波谷出现，同时，波高也较少，因此相对到的浮力分布并未产生明显的变化；反之若波长船长L，此时虽然波高很大，但由于船舶只位于部分波浪长度上，在船长范围内的波浪表面，实际上和静水面相差不多，考试相对于静水面的浮力分布也无明显变化。所以，这两种情况都不会引起过大的波浪弯矩。计算分析表明，当船体梁舶静置在波浪上时，在波长将大于船长时才得到紧大的波浪

5、弯矩；但此时的弯矩与波长等于船长时的弯矩相差不大，仅差1%。所以，在实际计算时，取计算波长等于船长。（并且规定按波峰和波谷在船中两种典型状态计算）。因此,在船舶强度计算时，波长=船长。(2) (2) 船与波相对位置选取当船舶静置在波浪上的位置发生变化时，船体剖面上的弯矩也将发生变化。当波峰或波谷在船中时，浮力相对于静水线的改变最为明显，因此在船中剖面会产生最大的波浪弯矩，这是可以判断出来的。（3）计算波高的选取按有关规定或强度标准选取。二、波浪附加剪力和弯矩1、平衡位置的确定（1）平衡位置调整原因S下：坦谷波波轴线以下的面积。S上：坦谷波波轴线以上的面积。因S下 S上 同时，船中比两头肥胖。因

6、此，浮力比静水中小。中垂状态这种船舶为了得到新的平衡，将下沉值；另外，首尾不对称，还要发生纵倾变化。而当船中在波峰时，则船舶要上升一些。（2）平衡位置调整步骤确定船舶在波浪上平衡位置的方法一般有逐步近似法和直接法。逐步近似法小型船舶，内河舶。直接法 麦卡尔法。该方法的假定邦戎曲线在水线附近为直线。假下船舶静置在波浪上，尾垂线比静水时下沉0 （下沉为正），纵倾角变化（首下沉为正），则利用排水量和浮心位置与静水中相等的条件，则其中第二章 总纵强度计算2-1船体总纵弯曲应力第一次近似计算一、危险剖面的选择危险剖面：可能出现最大弯曲应力的剖面，由总纵弯曲力矩曲线可知，最大弯矩一般在船中0.4倍船长范围

7、的，所以计算剖面一般应是此范围内的最弱剖面既有最大的船口或其电开口的剖面，如机舱、货舱开口剖面。除此之外，一般还要对船体骨架改变处剖面，上层建筑端壁处剖面，主体材料分布变化处剖面，以及由于重量分布特殊可能出现相当大的弯矩值的某些剖面。二、纵向强力构件1、 1、 纵向强力构件纵向连续并能有效的传递总纵弯曲应力的构件。船中0.40.5倍船长区域内连续的纵向构件，上甲板板、外板、内底板、纵桁、中内龙骨等都是纵向强力构件。船中非连续构件参加总纵弯曲的有效性取决于本身的长度及与主体的连续情况。（1）、构件连续长度3h计算剖面船口纵围板、纵桁等纵向构件可计入船体梁剖面计算中，但除外机座纵桁和其它加强纵桁不

8、应计入。（2）、构件长度的上层建筑。（3）、不少于三个横舱壁或类似结构支柱的长甲板室。2、 2、 间断构件（1）、相临舱口甲板。（2）、纵桁板上的的开口。三、剖面模数及剖面要素计算1、 1、 不同材料剖面面积折算根据变形相等的条件，承受相同的力即在计算时，可以船体梁仅由一种基本材料构件，而把与基本材料弹性横量不同和构件剖面面积乘以两材料的弹性横量之比，同时又不改形心位置。因此，对薄壁构件，相当于只对板厚作上述变换。2、 2、 剖面要素的计算步骤（1）、画出船体计算剖面的剖面图并编号（）（2）、选定参数轴离基线（0.450.5）型深处。确定形心至参数轴距离（）。（3）、计算剖面积（）、静力矩（）

9、、惯性矩（）。（4）、求中和轴至参考轴的距离（）、任意构件至中和轴的距离（）（5）、求对中和轴的惯性矩（）（6）、若甲板和船底距中和轴最远的距离分别为和，则甲板和船底的剖面模数分别为通常甲板的剖面模数比船底的剖面模数（），所以有时也称为船体的。在我国“钢质海船建造规范”中规定以作为最船体结构总强度的要求。3、 3、 总纵弯曲应力（）计算2-2船体构件的工作特性一、有效性船舶航行中，参加抵抗总纵弯曲的构件是否全部有效地工作呢？第一次近似计算法在计算中认为参加抗总纵弯曲的构件是全部有效地工作的。但船舶航行中的结构损坏经验和实船强度试验结果表明，当船体受到的外载荷增大到一定程度时，参加抵抗总纵弯曲的

10、构件是不能完全有效地参加工作的，特别是有效柔性构件（主要是板材），在受到压力作用时发生皱折现象，从而使构件中的应力分布发生变化，使得与之相连的刚性构件（主要是骨架）中的应力大大扣高，有可能导致结构的破坏。二、多重性只说明外板多重性，并将说明纵向强力构体分为四类。a总纵弯曲、b板架弯曲、c纵骨弯曲、d板的弯曲。构件类型承受弯曲部位第一类构件a上甲板（不计自重）第二类构件a 、b船底纵桁第三类构件a 、b 、c纵骨（纵骨架式）船底板（横骨架式）第四类构件a、 b、 c、 d船底外板（纵骨架式）2-3 杆及板的稳定性一、杆的稳定性在强度计算中，纵向骨材的理论欧拉应力，按两端自由支持的单跨压杆的欧拉公

11、式计算：若二、板的稳定性1、 1、横骨架式甲板板：船底板和内底板：舷顶列板：舷侧外板：2纵骨架式3舷侧外板的剪切稳定性24 船体板折减系数的计算一、剖面折减的概念当船体总纵弯曲时，纵向骨架梁在计算载荷下是不允许丧失稳定性的，因此在船体构件中只有板是丧失稳定性的。第一次近似计算求出总纵弯曲应力之后，若所得压应力大雨相应构件的临界应力，表明构件失稳。构件失稳后构件上作用的应力发生了变化。刚性构件与柔性构件折减系数的定义二、剖面折减系数的计算 在强度计算时，最有可能丧失稳定性的部位是甲板和内、外底板，因此只考虑甲板和内、外底板剖面折减系数的计算问题。甲板内、外底板25 总纵弯曲应力第二次近似计算需要

12、对柔性构件进行面积折减故第二次近似计算时的剖面积，静矩，惯性矩分别为修正后的船体剖面积和轴至参考轴的距离1，及剖面惯性矩I1任一构件距中和轴的距离为如果刚性构件中第二次近似计算的总纵弯曲应力值与第一次近似计算值之差不超过5，则可用第二次近似值进行总纵强度校核。否则应进行第三次近似计算。如果还不能满足条件，则说明该结构不合理。2-6局部弯曲应力计算一、 一、 船底板架弯曲应力计算船底板架一般作为交叉梁系结构。几何尺寸：板架宽度取肋板组合剖面中和轴与内底板（外底板）相交点之间的距离；：舱长；桁材：肋板：载荷船底外板上的水压力和舱内货物之差。对于油船，计算波谷在中时，应考虑满载；波峰在中时舱内空载。

13、约束纵向：刚性固定；舷向：自由支持。简化情况对于时可以将板架交叉梁系简化成单跨梁处理。二、 二、 船体纵骨弯曲应力计算简化成两端刚性固定的单跨梁。几何尺寸：纵骨跨距；：纵骨间距；载荷：载荷强度，分别为中拱和中垂时的水压力。约束两端刚性固定。三、 三、 船底板弯曲应力计算1纵骨架式1横骨架式2-7许用应力一、许用应力的含义安全系数n：是考虑强度计算中的许多不确定性为保证设计结构必要的安全度而引入的强度储备。不确定性：材料机械性能的稳定程度；工艺质量；运输条件以及使用年限决定的腐蚀磨损情况;结构破坏所引起的后果；计算载荷与实际载荷的差别；结构模型与结构的差别许用应力与设计，建造和劳动这经验，以及积

14、累的实船静载测量和航行试验结果，根据安全和经济的原则确定。二、许用应力值的确定 钢板的腐蚀厚度问题：在同一种环境下腐蚀厚度与船长没关系，也就是大船与小船的腐蚀厚度几乎都是一样的。因此，小船板薄，腐蚀余量所占板厚的百分比较大；反之，对于大船而言，即相对板厚平说，该百分比较小。因此，可适当提高大船的许应力值。 在计算方法中，波高选取可适当降低小船的许用应力值，提高大船的许用应力值。 是基于系统分析世界各国船长从120米240米的干货船和油船的强度分析，其中表明，当将船静置于波和等于船长，波高等于一定值的坦谷波上计算总纵弯矩时，所得船中剖面干货船：总纵弯曲应力的许用应力为0.50s总纵弯曲应力与板架

15、弯曲应力合成的许用应力为0.65s（跨中），1.0s（支坐）油船：总纵弯曲应力的许用应力为0.45s总纵弯曲应力与板架弯曲应力合成的许用应力为0.55s（跨中），0.90s（支坐）军舰：总纵弯曲应力的许用应力为0.45s总纵弯曲应力与板架弯曲应力合成的许用应力为0.55s（跨中），0.90s（支坐）上甲板的总纵变曲应力实际上是相同的，因此该标准规定，许用应力不随船长而变。三、许用应力法的缺陷只有通过概率方法（可靠性设计）来研究表征结构强度诸因素，对结构强度的影响。没能考虑载荷及材料性能的变动性和随机性，许用应力法的中足之处，在于不能考虑表征结构强度，诸因素的变动性和随机性。2-8极限弯矩计算一

16、、 一、 极限弯矩的定义与船体结构的过载能力在船体强度计算时，所谓极限弯矩是指船体剖面内离开中和轴最远点的应力达到结构材料的屈服极限时，船体剖面中所对应的总纵弯矩。式中极限弯矩；标准计算状态下的计算弯矩；过载系数。表明船体结构所具有的承受过载的能力大小。对于不同类型的船舶其值是不同的。二、 二、 极限弯矩的计算判断：满足停止；不满足继续进行。第三章 第三章 船体局部强度校核计算方法船体各部分结构抵抗局部载荷直接作用而不产生破坏和超过允许限度的变形的能力称为船体结构局部强度。船体结构主要组成部分为船底结构、甲板结构、舷侧结构和舱壁结构。在局部强度校核计算中，首先要将船体空间立体结构简化为板、梁、

17、板架和框架来进行计算，在确定局部结构受到最大载荷(设计载荷)后，建立数学模型计算局部结构的内力与变形。最后要确定局部结构的强度校核衡准。3.1 局部强度计算的力学模型*局部强度概念：船体在外力作用下除发生总纵弯曲变形外，各局部结构，如船底、甲板、船侧和舱壁板架以及横向肋骨框架也会因局部载作用而发生变形、失稳或破坏。研究它们的强度问题称为局部强度。*局部强度的主要研究内容：板架、框架、各种骨材以及壳板的强度计算。 *局部强度研究方法：（1）传统的局部强度计算方法：即把船体结构划分成各种板架、刚架、连续梁和板等进行计算；（2）有限元法：可以扩展成各种结构的整体计算，如立体舱段计算等。一、建立计算模

18、型的原则结构模型化是计算的前提和结构分析成败的关键，影响计算模型的主要因素有下列几点：（1）结构的重要性：对重要结构应采用比较精确的计算模型；（2）设计阶段：在初步设计阶段可用较粗糙的模型，在详细设计阶段则需要较精确的计算模型；（3）计算问题的性质：对于结构静力分析，一般可用较复杂的计算模型，对于结构动力和稳定性分析，由于问题比较复杂，可用较简单的计算模型。 二、构件几何尺寸的简化1、板架计算时：其长度、宽度取相应的支持构件间距离。例如，船底板架和甲板板架的长度取横舱壁之间的距离，宽度取组成肋骨框架梁中和轴的跨距，或简单地取为船宽。2、肋骨刚架计算时：其长度、宽度取组成肋骨框架梁的中和轴线交点

19、间距离，用中和轴线代替实际构件。3、构件剖面要素计算时应包括带板（附连翼板）三、骨架支承条件简化1、骨架支座形式 ：（1）自由支持在刚性支座上；（2）刚性固定；（3）弹性支座和弹性固定。2、骨架支承条件简化 简化成何种支座，视相邻构件与计算构件间的相对刚度及受力后的变形特点而定。四、结构处理模型化1、结构对称性的利用（1）船体结构一般都是左右对称的，充分利用这个特点可大大减少未知量的数目。如果结构与载荷都是对称的，可取一半结构进行计算，在对称面的各节点加上适当的约束，如图3-8(a)所示。（2）如果结构具有纵、横双重对称性，载荷也可对称，则可取1/4结构进行计算。（3）当结构对称、载荷不对称时

20、，可将载荷分解为对称与反对称两种情况计算。 2、等效刚度模型的利用 等效模型在船体局部强度计算中应用是很普遍的，它可使自由度大为减少。 例如，如图3-10所示的大舱口货船的悬臂梁结构，就可采用一维梁模型来计算，以代替空间刚架计算。（1）将悬臂梁简化为支持甲板纵桁的弹性支座（见图3-10(b)），其刚度可由图3-10(c)所示肋骨刚架在单位力作用下的挠度求得，即 （2）舱口围板处的弹性支座刚度由图3-10(d)所示刚架计算得到。3.2 船体局部强度外力确定一、上甲板、舷侧、底部结构计算水压力考虑到舰船在波浪中横摇、纵摇与升沉运动，以及波浪冲击下的甲板土浪，船体舷外最大水压力比舰船的设计吃水要大，

21、规范规定船体上甲板和艏艉楼甲板的露天部分，其计算载荷主要考虑飞溅水的作用，并按下式计算：式中计算水压力（kPa）； 计算水头高（m），并按下式计算，但任何情况下不得小于0.5m。式中X所计算截面距舰舯的距离(m)，由舰中向艏为正，向艉为负；所计算截面的干舷高(m)，并需计及艏楼和艉楼的高度；L正常排水时舰船设计水线长(m)。船体底部和舷侧的计算水压力p由下式确定：式中计算载荷(kPa)；计算截面的舷侧高度(m)； Z计算结构中点距基线的高度(m)，对手底板、舷侧板、底部纵骨、舷侧纵骨及舷侧纵桁取构件中点距基线的高度，对于底部板架取计算构件的中点距基线的高度的平均值。 二、其它甲板和平台设计计算

22、载荷1、其它甲板和平台设计计算载荷船体甲板或平台局部强度计算还应考虑以下计算载荷，并取所有这些载荷的最大载荷作为甲板或平台局部强度的计算载荷。上甲板遮蔽部分以下不考虑破损水压头的下层甲板和平台的局部强度计算载荷取为式中计算载荷(kPa)； 固定重物载荷(kPa)； 水压力取4.91 kPa。 艏艉两端附近甲板和平台上装有重物或板厚大于20mm时，需计算重物或结构因舰艇摇摆面引起的惯性力，具体计算见3.1.6节。保证舰艇不沉性的甲板，其局部强度计算载荷不应小于破损水压头高，详见3.1.7节。 作为液舱结构一部分的甲板或平台，应取高达舱顶或注入管(空气管)高度的水柱压头作为计算载荷。 3.1.3

23、上层建筑局部强度计算载荷上层建筑局部强度计算载荷主要包括航行中飞溅浪花冲击产生的等效水压力以及上层建筑上重物或结构的重力和惯性力，重力和惯性力的计算方法见3.1.6节，下面主要介绍上层建筑各部分结构的等效计算水压头。 对于艏楼、艉楼甲板和第一层桥楼甲板的露天部分及侧壁的计算载荷取9.8(kPa)，其中由式(22)确定。 第一层甲板室甲板露天部分及侧壁的计算载荷按下式计算：式中 计算压力(kPa)； 甲板室宽度（m）； 该处船宽（m），由（22）式确定。所有第一层上层建筑甲板和侧壁的计算载荷均不得小于4.9kPa。 第1层前上层建筑的前壁，其计算载荷应增加到1.5倍的侧壁计算载荷且不小于9.8k

24、Pa；第1层后上层建筑的后壁，其计算载荷应增加到1.3倍的侧壁计算载荷且不小于9.8kPa。其余第1层上层建筑端部与侧壁计算载荷相同。 第2层上层建筑侧壁和端壁的计算载荷分别为第1层相应部位规定载荷的75；第3层及其以上的上层建筑，其侧壁和端部的计算载荷分别为第1层相应部位规定载荷的50，但均不得小于4.9kPa。第2层及其以上的上层建筑甲板，露天部位计算载荷取4.9kPa，遮蔽部分计算载荷取2.94kPa。3.3 船体骨架的带板一、带板的概念： 船体结构中绝大多数骨架都是焊接在钢板上的，当骨架受力发生变形时，与它连接的板也一起参加骨架抵抗变形。因此，为估算骨架的承载能力，也应当把一定宽度的板

25、计算在骨架剖面中，即作它的组成部分来计算骨架梁的剖面积、惯性矩和剖面模数等几何要素，这部分板称为带板或附连翼板。二、带板的计算（1）我国海船规范规定：安装在平板上的主要构件带板的有效面积为： 式中 （cm2），但不大于1； b主要构件支承面积平均宽度，m； l主要构件的长度，m； tp带板的平均厚度,mm。（2）中国船舶检验局颁布的内河钢船建造规范（1991）（以下简称河船规范规定：强骨材带板宽度取其跨度的1/6，即，但不大于负荷平均宽度亦不小于普通骨材间距。3.4 典型船体结构的局部强度计算一、 船底结构的强度计算 船底纵桁应力要与总纵弯曲应力合成（见图2-19），此时船底板架的计算载荷应取

26、相应的总纵弯曲计算时的载荷状态和波浪位置的水头高度。船底板架计算水头为舷外水压与货物反压力之差值。1船底外板的强度计算 力学计算模型：受均布水压力作用的船底板，一般可作为四周刚性固定的刚性板来计算。 （1）对于横骨架式板格（见图3-14(a)），若c/s2，则长边中点（2点）的最大应力（沿船长方向）可按下式计算：板中点（1点）沿船长方向的应力为： 式中 q水压力，N / mm2；s肋骨间距，mm；t板厚，mm。（2）纵骨架式板格（见图3-14(b)），若s/b1.52.0时，可按下式计算： 短边中点沿船长方向的应力：板中点沿船长方向的应力： 长边中点沿船宽方向的应力： 式中b船底纵骨间距，mm

27、。船底板的许用应力，在板中点处可取，在骨架处s0.9 sy （为材料屈服极限）。2船底纵骨弯曲应力计算力学计算模型：船底纵骨由肋板支持（参见图6-12），由于纵骨在结构上以及所承受的载荷对称于肋板，可以把纵骨当作两端固定在肋板上的单跨梁计算（见图3-2），其支座剖面和跨中的弯矩按下式计算： 式中 b纵骨跨距； a纵骨间距； q载荷强度，分别取中拱和中垂时的水压力纵骨弯曲应力为：式中W纵骨自由翼板或带板的剖面模数，cm3。 3船底板架计算 船底一般都是由多根交叉构件和很多主向梁组成的板架。对于横骨架式板架，主向梁（实肋板）承受肋板间距范围内的荷重，交叉构件只承受节点反力；对于纵骨架式板架，载荷通

28、过纵骨传给实肋板，交叉构件也只承受节点反力，如图3-15所示。多根交叉构件板架的计算可采用船舶结构力学中介绍的近似方法主向梁节点挠度选择法。对于舱长很短的船底板架（例如，舱长与板架计算宽度之比小于0.8时），为确定这种板架中桁材的弯曲应力，可将中桁材当作单跨梁处理。现分析如下：支座剖面处弯矩、跨长中点处弯矩为 对于边长比等于或大于0.8的板架，可按下述近似公式计算：式中，g1 、g2、g3系数；Q作用在中桁材上的载荷；Q1作用在肋板上的载荷；q 板架的载荷强度；c 纵桁间距； l纵桁跨度；a肋板间距； B肋板跨度。3.3 船体局部强度校核衡准 船体局部强度计算的军用标准体系对计算载荷(3.1节

29、内容)和强度校核衡准(本节内容)提出了较详细和明确的要求，而对内力计算方法并不给予严格限制，允许设计人员根据需要可采用结构力学的理论解法，也可采用有限元法进行数值计算分析。船体局部强度标准主要与结构类型和载荷类型有关，从结构类型可分为板的强度标准和骨架强度标准；从载荷类型可分为与最大设计计算水压力相关强度标准、与经常性载荷相关强度标准以及与偶然性动载荷相关强度标准。一、板的局部强度校核衡准 （一）与经常性载荷相关的板的强度标准 经常性载荷是指平时就以该载荷大小作用于船体的载荷，如重物的重力、水舱的水压力(计及舱顶)等，具体规定如下：当甲板板与平台板按承受固定重物载荷作为计算载荷时，其许用正应力

30、取为式中材料屈服强度(MPa)。 对用作隔离相邻舱的舱壁板，计算水压仅计及舱顶时，其支座剖面处的许用正应力取为（二）与最大计算水压力相关的板的强度标准由船体局部强度计算而专门规定的最大计算载荷，如船体底部、舷侧、甲板和上层建筑规定的考虑船体升沉与上浪影响的计算水压力，舱壁承受的破损水压力以及计及空气管和注水管高的液舱水压力等。该计算压力属于出现机会较高的偶然性载荷，其强度标准的具体规定为： 舱壁板按有限刚性板计算时，支座剖面计算正应力一般可不作限制，即许用正应力可大于，而跨中剖面处的许用正应力为0.80。 （三）与偶然性动载荷相关的板的强度标准 偶然性动载荷(等效载荷)主要有艏部砰击水压力和碎

31、冰计算载荷，其对应的强度标准为： 舰首0.35L区域内的底板、舷侧板按艏部砰击水压力及绝对刚性计算时，其许用正应力为舷侧抗冰强度计算时的舷侧板许用正应力为 支座处 跨间 二、骨架局部强度校核衡准 （一）与经常性载荷相关的骨架强度标准舰船通用规范规定，当甲板和平台按承受固定物载荷作为计算载荷，按刚性固定在甲板横梁上受均布载荷梁来计算甲板纵骨和平台纵骨强度时，或按单跨梁、连续梁和交叉构架计算甲板横梁、纵桁以及板架强度时，其许用正应力和剪应力分别为当所校核的甲板骨架和平台骨架处于液舱底部，并按高达舱顶的压头作为计算载荷时，其许用正应力和剪应力仍由上式确定。 另外，液舱舱壁扶强材或桁材按高达舱顶的压头

32、作用计算载荷时，其许用正应力和剪应力也由上式确定。 （二）与最大计算水压力相关的骨架强度标准局部结构强度的最大计算水压力主要包括：局部强度计算规定的船体底部、舷侧、甲板和上层建筑计算水压力，破损水压力以及计入空气管和注入管高度的舱水压力。在最大计算水压力作用下，船体骨架(包括底纵骨、底纵桁、肋板、底部板架、舷侧纵骨、舷侧纵桁、肋骨、舷侧板架、甲板纵骨、甲板纵桁、横梁、甲板板架、舱壁扶强材和桁材、舱壁板架以及上层建筑各种骨架)的许用正应力和许用剪应力分别为 （三）与偶然性动载荷相关的骨架强度标准 船体艏部范围内的底部纵骨和底部板架，以及舷侧纵骨、肋骨、舷侧纵桁和舷侧板架，按艏部砰击等效水压力校核

33、强度时，其许用正应力和剪应力分别为舷侧骨架按碎冰载荷校核强度时，其许用正应力和剪应力分别为支座处 ， 跨间 ， 第四章应力集中模块一、应力集中及应力集中系数在船体结构中，构件的间断往往是不可避免的。间断构件在其剖面形状与尺寸突变处的应力，在局部范围内会产生急剧增大的现象，这种现象称为应力集中。由于船体在波浪上的总纵弯曲具有交弯的特性，应力集中又具有三向应力特性，严重的应力集中更易于引起局部裂纹和促进裂纹的逐渐扩展。第二次世界大战中和大战后，由于结构开口引起应力集中从而产生裂缝导致船体折断的事故占整个船体结构海损事故总数中的极大部分。因此，在第二次世界大战后，关于船体结构的应力集中问题，曾引起了

34、造船界的普遍重视，开展了大量的研究工作。现在，对这个问题已经有了比较清楚地了解。由于应力集中是导致结构损坏的一个重要原因，结构设计工作者在设计中必须始终注意这个问题。再进一步对船体结构中比较突出的几个应力集中问题及该区域的结构设计作一些介绍。通常，用应力集中系数来表示应力集中的程度。应力集中区的最大应力或分别与所选基准应务或之比值，即（1）称为应力集中系数。基准应力不同，应力集中系数也不同。所以，给定应力集中系数时，应指明基准应力的取法。间断构件的应力变化规律以及应力集中系数的大小很大程度上决定于这些构件的形状。目前，已经能够确定各种形状的间断构件的应力集中系数。二、开口的应力集中及降低角隅处

35、应力集中的措施在大型船舶上，强力甲板上的货舱口、机舱口等大开口，都严重地破坏了船体结构的连续性。当船舶总纵弯曲时，在甲板开口角隅外的应力梯度急剧升高，引起严重的应力集中，造成船体结构的薄弱环节。关于舱口角隅处应力集中的确定，导致去除方角而采用圆弧形角隅，并在角隅处采用加复板或厚板进行加强，同时要采用IV级或V级的材料。1.开口的应力集中关于孔边的应力集中，可用具有小椭圆开孔的无限宽板受位抻的情况来说明（见下图）。应用弹性理论可求得A、B两点的应力分别为：（2）式中为无限远处的拉伸应力；为椭圆孔在A点的曲率半径；分别为垂直及平行于拉伸方向的椭圆主轴，负号代表压应力。若以离开椭圆孔无限远处的拉伸应

36、力作为基准应力，则A点的应力集中系数为：（3）式（3）可推广到圆形开孔，此时。此外，还可推广应用到钢板中的裂缝（见下图）。假设在甲板上沿船宽方向出现裂缝，裂缝长为，可见裂缝尖端处的应力集中是非常大的。因此，裂缝一经产生，必继续蔓延扩大，直至结构破坏。若在裂缝尖端钻一小孔，直径约18mm，便可防止裂缝进一步蔓延，故称为止裂孔。这就是为何在以前建造的船舶舷边设置铆接的舷边角钢能止裂的原因。受位伸的矩形开口角隅处的应力集中，主要受下述因素的影响。（1）开口宽度与整个船宽的比值b/B，b/B增大，应力集中系数增大。（2）开口长宽比a/b，a/b增大，应力集中系数降低。（3）开口角隅处的形状。其中开口角

37、隅处的形状对应力集中系数影响最大。采用圆弧形角隅的大舱口，根据实船的试验资料，最大应力一般发生在舱口纵边上圆弧终止点内侧约成300角的圆弧边缘上，如下图所示。由图可看出，角隅圆弧半径与开口宽度b之比是影响应力集中的主要因素。时，应力集中系数急剧增大，但当时，应力集中系数不再变化，这与光弹性试验结果也是一致的。舱口角隅采用椭圆形或抛物线形，且长轴沿船长方向，进一点改善了过渡方式，这时的应力集中系数比采用圆弧形的应力集中系数低。在保持同样开口面积情况下，把圆弧改成椭圆或抛物线形状，应力集中系数可降低12%-20%。所以，近代各船级协会规范在推荐采用这两种形状的角隅时，都不要求在角隅处再加厚板。因此

38、，这两种形式的角隅不仅结构更合理，而且工艺更简单。要指出,开孔板的受力情况不同,其应力集中也是不同的,对一般货船,甲板开口应力集中主要以承受总纵弯曲的拉伸与压缩应力为对象。对于大开口船舶,船体的扭转不可忽视,此时不仅甲板产生切应力,而且还必须考虑船体扭转产生舱口菱形变形所引起的应力集中。特别是对集装箱箱船,这是不容忽视的问题。2、甲板上开口的设计（1）开口方位的布置为防止应力集中引起结构的破坏，在高应力区域和已经存在较大应力集中的区域内，应尽量避免开孔。例如，在强力甲板开口线以外的区域应尽量少开口，并须避开舱口角隅；在船中部桥楼和甲板室的前端壁与货舱角隅之间的强力甲板上，以及上层建筑端部的舷顶

39、列板上等处所，也应尽量避免开口。如需开口，开口的长边应沿船长方向布置。（2）降低开口应力集中的结构措施在结构设计时必须充分注意舱口角隅处的结构细节，对强力甲板上的机炉舱口，货舱口，为降低角隅处的应力集中，可采取如下一些措施；采用圆弧形舱口角隅。此时，角隅半径与舱口宽度之比不小于1/10（现海船规范已放宽到1/20）。但是，过大的圆角半径会使舱口有效面积减少，从而影响装卸货效率。此外，为进一步降低舱口角隅的应力集中，在角隅的高应力区还要加厚板或加复板的方法给予加强。加厚板较原来厚增加4mm(海船)或0.5倍（内河船），加厚的范围如下图所示，并且加厚板端接缝应与舱口围板的端接缝以及甲板骨架的角接焊

40、缝错开。由于加厚板与相邻甲板厚度不同，产生了新了不连续性。造成新的应力集中，同时施工也较麻烦。因此，这不是理想的方法。 采用抛物线或椭圆形舱口角隅。此时，规范不要求角隅处的甲板加厚板，但角隅处的形状应符合下图的要求。椭圆角隅的最佳长短轴之比为3.03.5，此时应力集中程度可比相应的圆弧角隅减少23%左右。文献12又指出，对于易受疲劳损伤的重要部位的椭圆形开口也应予以加强。应用断裂力学原理的计算和试验表明：当角隅处存在一定长度的列裂纹时，角隅形状对结构的强度几乎没有影响，而设置加厚板则明显增加了含裂纹构件的疲劳与断裂强度。舱口边缘的甲板纵桁对降低角隅处的应力集中有一定的作用。但是，若舱口围板在角

41、隅处突然中断，会在围板端部产生新的应力集中，所以在舱口围板端部应当采用纵向肘板逐步过渡。至于舱口围板在角隅处是做成圆表，还是直方形，对角隅处的应力集中的影响差别不大。为简化工艺，故多用直角焊接。减小开口间的甲板厚度。对海船，在上面已指出，开口之间的甲板厚度是按局部强度要求决定的，它比按总纵强度要求决定的开口线以外的甲板厚度要薄一些。对内河船，河船规范已规定取比开口线以外的甲板厚度减薄1mm。减小开口间的甲板厚度，也就减小了开口间的甲板结构刚性，因而可降低角隅处的应力集中。采用一种新型的“弹性角隅”。不是以角隅处的弧形变化来改善结构的连续性，而是在角隅部形成一个光顺的波形，使开口线以外的甲板和舱

42、口间的甲板部分的联系处于放松状态，即以放松高应力部位来降低应力集中。光弹性试验和计算板明：弹性角隅的应力集中系数比同尺度的椭圆角隅的应力集中系数降低15%左右。但是，这种角隅的致命缺点是制造困难。对于下层甲板机炉舱、货舱口的角隅，一般做成的圆弧形就可以了。因为在这些地方总纵弯曲应力较小，由应力集中引起的应力升高也不会很大，但海船规范对第二甲板还是要求设加厚板，其厚度较甲板增加2.5mm。对于甲板上的各种小型开孔，则应根据具体情况予以处理。凡开口尺度相对船度来说很小，高应力只在很局部的范围内分布，或者应力集中系数不大，这类开口可不予加强。这些开口有：直径不大于20倍板厚的圆形开口；椭圆形开口的长

43、轴沿船长方向布置，且开口长度比不小于2；其它形状的开口，如果试验证明其应力集中系数小于2（对一般强度钢），或者小于1.5（对高强度钢）的开口；强力甲板开口线以外，长度（首尾方向）不超过2.5m及宽度不超过1.2m或0.04Bm（取小者）的甲板开口，在一个横剖面（Y-Y）上的开口宽度总和（包括下图所示）阴影区域宽度）be。应符合下式要求：（4）式中B为计算剖面处的船宽，m; 为计算剖面处所考虑的开口宽度的总和，m。 不符合上述要求的小型开口,则应予以加强，通常的补偿方法是加厚甲板，以便减小应力集中。对需要加强的圆形或椭圆形开口（不满足上述和者），海船规范建议采用套环形式加强开口边缘（见下图）。此

44、时，圆环板的剖面积A应不小于按下式计算值：A=0.5rt(mm2)（5）式中 r开口半径，mm，对椭圆形开口取开口宽度的一半；t甲板厚度，mm一般，采用加厚开口周围甲板方法来补偿甲板开口。还根据各种受力特点，给出了具体加强措施，需要时可查阅参考。三、肘板的应力集中在船体结构中，骨架端部主要是以肘板进行连接的。因此，关于肘板的强度及其应力集中的问题，一直是结构研究的重要方面。以便合理地确定各种肘板的形状与尺寸。通常，普通骨材的端部多用三角形肘板，例如，梁肘板、纵骨及舱壁扶强材端部肘板等。这种形状肘板的端部为不连续点，产生应力集中。对常用的等边三角形的肘板，肘板的最大应力大约是梁理论计算值的1.7

45、倍。因此，对强骨材间的连接，在不连续点处常以半径为r的小圆弧代替。对这类肘板的研究表明17，若骨材腹板高度为d；最大应力发生在圆弧半径r终止处向肘板内缘约10之内的点上；最大应力的大小主要决定于r/d，而与肘板的大小无关。应力集中系数k可按下式近似确定：（6）式中为强骨材在圆弧半径r终止处的弯曲应力。由式（6）可知，当r/d2时，肘板的应力集中程度已较小。因此，肘板尺寸的大小能保证r/d2便已足够。肘板的形状以圆弧形为最好。增大圆弧半径可以降低应力集中系数，但当圆弧半径超过骨材腹板高度时，再增大圆弧半径其降低应力集中的效果就不明显了。肘板尺寸较大时，例如舭肘板，为减轻结构重量常在其上开减轻孔。

46、此时，除开孔的近傍外，肘板内的应力分布与不开孔时无多大变化。因此，减轻孔的位置及大小主要使孔边的应力较小。当开孔中心距肘板边缘的距离h=0.15D0.30D时，在孔边距肘板边缘最近点处的应力将与骨材在肘板趾点处的弯曲应力相等。因此，这样的减轻孔设计最为合理。四、上层建筑端部的应力集中及加强设计 （一）主体在上层建筑端部的应力集中在上层建筑端部,由于断面形状突然中断,使该主体结构中产生极大的应力集中。前面已指出,当船体梁发生弯曲变形时,在主体与上层建筑的连接线上产生了水平剪q(x),其分布如下图所示。根据弹性力学的已知解15，若一单位力T作用在半无限板的直线边缘上（见下图），则距作用点x处的正应

47、力为：（7）又若一单位力T作用在板的表面上，沿力的作用线垂直方向横剖面上产生的正应力为：（8）式中 x所讨论的剖面离开力作用点的距离； t板厚； 泊松比（=0.3）。若在上层建筑与主体连接线上以一系列集中力T（=qc）代替分布剪力q，对每一个集中力T可求得在主体板边横剖面上产生的正应力为： （9）式中其中t2、t3、t4如右图所示。当t3= t4=0时，这个值近于式（7）的系数，在实际结构中这相当于船楼侧壁与主体舷侧外板连接的情况；当t2=0 t3=t4=t时，它与式（8）的系数相近，在实际结构中这相当于甲板室侧壁与主体甲板相连接的情况。但是，无论哪种情况，理论上在靠近集中力T作用点处，主体板

48、边的的正应力均无限增大，且当过了力的作用点之后，应力改变符号。一系列集中力T若均以侧壁端点为坐标原点，则它们在端点之外总是引起同号的正应力，所有相同符号应力迭加的结果，便形成端点处的极大应力集中。在上层建筑端部，主体结构中的应力集中系数，可以近似地由下计算：（10）式中 h上层建筑高度；r端部的圆弧半径。（二） 端部减轻缓应力集中的措施与加强设计在上层建筑端部由于应力集中而造成的损坏是经常发生的。因此，在结构设计中必须采取多种措施来减缓该处的应力集中程度。1、船楼端部减缓应力集中的措施（1）设置端部弧形过渡板由式（10）可知，船楼端部与主体成直角相交时，无论采取什么措施，理论上该处的应力集中总

49、是无穷大。因此，应在船楼端部设置弧形板（圆形或椭圆形），使端部舷侧板逐渐过渡到主体舷顶列板，并用加强肘板支持。由于弧形板的刚性由大逐渐变小，沿这部分连接线上的水平剪力也逐渐由大变小，于是在弧形板端点主体结构中的应力就不再无限增大。增大过渡板圆弧半径可以有效地降低应力集中系数。规范都对过渡板的结构作了具体规定。例如，关于过渡板的延伸长度，海船规范规定不小于1.5倍船楼高度（若端壁位于船中部0.5L区域以外，延伸长度可适当减小），河船规范则规定为船楼高度；此外，还对过渡板的板厚、加强肘板及板上缘面板的要求作了具体规定，这里不再详细引述。（2）局部增加主体结构板厚由式（10）可知，增加船楼端部区域的

50、舷 顶列板及甲板边板的厚度亦可降低过高的局部应力，因此规范对增厚的大小及范围都作了具体规定。例如，海船规范对端壁位于船中部0.5L区域的船楼，要求从端壁向内至少两个肋距至过渡弧形板起点之外两个肋距之间的主体舷顶列板和甲板边板分别增加20%（见右图）。2、甲板室端部减缓应力集中的措施为减少甲板室端部角隅处的应力集中，通常其侧壁与端壁的连接应做圆角，形成带圆角的围壁。同时，设法降低围壁与甲板连接处的抗剪刚性系数（特别是降低接缝的抗剪刚性系数），使连接处的剪应力减少。这可在角隅处局部（通常沿船长及船宽方向的长度不小于甲板室高度）采用铆钉与甲板相连。过去都用角钢以双列铆针将围壁与甲板相连，如下图（a）

51、所示；现多用简化的连接形式，如下图（b）为用连接扁钢的一种连接型式。在我国实船建造中，还采用了下图所示的连接型式。一般来说，围壁下加复板的形式较好；此时复板不能太薄，也不能太厚，可建议取围壁与甲板板厚之和的一半；同时，复板不能用塞焊，否则就失去它应有的作用了。另外，在船中部0.5L区域内的甲板室端部应尽量减少侧壁开口的数量和尺寸。所有门窗开口需设计成圆角，在门或类似开口的上下面应有足够的连续围壁板。3、其它加强措施近年来，由于主机功率的增大，上层建筑因振动而发生的损坏情况大大增加。这可能是由于船体总振动而诱发的上层建筑的共振，如下两图所示；也可能是由于上层建筑的固有频率与激振力耦合而产生的振动

52、。因此，在设计阶段以足够的精度计算出上层建筑振动响应峰值频率是很重要的。在决定机舱及上层建筑结构的布置与尺寸时，要保证船上的振动量级是可以接受的。为了增大结构的刚性，传递竖向力，通常应按下述要求进行加强设计：（1）在船楼或甲板室端部的下面均应设置支柱、隔壁、舱壁或其他强力构件，以支持上层建筑，承受竖向力。（2）船楼内强肋骨或局部舱壁应尽可能设置在与其下面的水密舱壁或其它强力构件在同一垂直平面内（3）在最下层长甲板室端壁和侧壁上，一般应设置间距为9m的局部舱壁或垂直桁材，并尽可能与其下面舱室的加强构件在同一平面内第五章 结构设计模块 一、实例1：型材剖面设计。（一）设计题目：试确定某船实肋板尺寸

53、。已知：M=770kNmN=71kN，=235Nmm2。 =176N/mm2，=100N/mm2，=18cm2, =4mm，=8m。（二）设计过程：（1）计算W1及（2）第一次近似决定m初步取=0.5因为A=761+0.95（1+）2.33=261.7所以（3）计算W0因为K=4，所以（4）第一次近似计算型剖面尺寸因为最佳高度同时受腹板稳定性及最小厚度条件限制，计算结果为：（5）第二次近似决定m因为所以（6）第二次近似计算型材剖面尺寸。因为所以式中，因为第二次近似计算未改变所使用的计算公式，所以不必进行第三次近似计算。（7）确定面板尺寸。考虑到制造因素，取腹板尺寸为3004。于是，为保证弯曲强

54、度，面板面积为：由式决定的在918之间。则面板宽度为： 则面板厚度为：考虑到钢材牌号，实取面板尺寸为1608。（8）按最后选定的尺寸检验强度条件。利用最后选定的尺寸可得：， 式中K=4.93。（9）总稳定性检验。因为所以，总稳定性可以得到保证。实例2：船体中剖面计算法设计示例。设计题目：船体主要尺度：船长，船宽，吃水，型深，计算舱长，实肋板间距，双层底高度。已知纵向构件：下甲板厚度，甲板纵桁剖面积F1=100cm2、F2=90cm2。船体钢材：屈服极限，许用应力：总纵弯曲应力，船底合成应力。计算弯矩（在波峰中）：M=M3+Mw=16.95107+41.16107=58.11107N.m。船体中

55、剖面计算草图如下图6-19所示：一、确定船体中剖面纵向构件相当厚度1.第一次近似计算取中和轴距基线 e1=0.45、D=5.4m。按下表计算船体剖面要素。构件名称构件尺寸（cm）构件剖面积F(cm2)离中和轴距离Z（m）F.Z(cm2.m)F.Z2(cm2.m2)自身惯性矩io(cm2.m2)给定了构件上甲板纵桁下甲板纵桁上甲板板-5600.9100905046.63.63.66603241814435611666532-A=694B=+2798C=12054与A1成比例的构件，当A1=1时上甲板甲板边板4401201.34401566.66.629041030191666795A1=694B

56、1=+3934C1=25961与A0成比例的构件，当A0=1时舷顶列板舷侧板舭列板内底板中桁材底纵桁外底板1201.27605037700.71/21200.931200.860014476050353954288600+6.0+1.6-4.24-4.20-4.80-4.8-5.48641216-2133-2264-259-1382-324051841946904395081244663617495173660495-735-A0=694B0=+3934C0=25961由甲板总纵强度条件计算所必需的船体剖面惯性矩，则得：将表列数据代入下式得：由此得2、第二次近似计算（1）用插值法进行第二次近似

57、计算。取新的中和轴距基线 e2=0.5、D=6.0m，移轴距离为：e=e2-e1=0.6m由下式计算新的相当厚度，即其中代入各项数据，并经简化后得：由此得 （2）计算船底板架弯曲应力。中桁材的计算载荷为：Q=qCl=258.336104N式中q=0.9d104=7.02104N/m2； C=2m；l=18.4m。取带板宽度C1=2m，按下式求得中桁材对船底板的剖面模数为（、分别表示小翼板、大翼板和腹板的剖面积，其它含义雷同）： W=2.55104则求得中桁材跨长中点的弯矩为：式中于是船底格架弯曲应力为：船底总纵弯曲应力按下式计算：（3）将计算结果列入下表，并绘成下图。中和轴位置e(m)e1=5.4me2=6m相当厚度（cm）1.230.961.531.74船底总纵弯曲应力