了得網工業技術_船體強度與結構設計

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內容簡介

《船體強度與結構設計》主要敘述了船體強度和船體結構設計兩方面內容，闡述了船體外載荷、總縱強度、局部強度和扭轉強度等船體強度的原理和計算方法，以及船中剖面優化設計、規範法設計、上層建築設計等船體結構設計的一般方法，並對船體結構直接計算、共同結構規範等先進設計計算方法作了適當介紹。

目錄
緒論 1
0.1 船體強度 1
0.2 結構設計 2
0.3 本書內容 4
第1章船體結構基礎 5
1.1 船體結構間載荷傳遞和結構的變形 5
1.2 作用在船體上的載荷 7
1.2.1 載荷的分類 7
1.2.2 波浪引起的動載荷 8
1.2.3 衝擊載荷 9
1.3 結構響應分析模型與載荷 10
1.3.1 總強度分析模型與載荷 10
1.3.2 橫向強度分析模型與載荷 11
1.3.3 局部強度載荷 13
1.4 船體結構各構件的作用 13
1.5 典型船舶的結構特點 17
1.5.1 散貨船 17
1.5.2 雙殼油輪 19
1.5.3 集裝箱船 20
1.5.4 汽車運輸船 21
1.5.5 MOSS球罐型LNG船 23
1.5.6 薄膜型LNG船 24
1.5.7 礦砂船 25
第2章船體外載荷 27
2.1 概述 27
2.1.1 船體梁的受力與變形特征 27
2.1.2 剪力、彎矩計算步驟 29
2.2 靜水剪力和彎矩計算 30
2.2.1 重量曲線 30
2.2.2 浮力曲線 36
2.2.3 載荷曲線 38
2.2.4 靜水剪力和彎矩曲線 39
2.2.5 計算狀態的選取 40
2.2.6 船體撓度及貨物分布對靜水彎矩的影響 41
2.3 靜波浪剪力和彎矩 42
2.3.1 傳統計算方法 42
2.3.2 靜波浪剪力和彎矩計算 43
2.3.3 斜置在波浪上的靜波浪彎矩 47
2.3.4 波浪浮力修正 48
2.4 總縱彎矩和剪力計算 49
2.4.1 公式計算總縱彎矩和剪力 49
2.4.2 計算機計算總級彎矩和剪力 50
2.5 總縱彎矩和剪力的近似估算公式 56
2.5.1 總縱彎矩的近似估算公式 56
2.5.2 剪力的近似估算公式 60
2.5.3 總縱彎矩和剪力標準 61
2.6 總縱彎矩和剪力計算實例 63
2.6.1 主要數據及原始資料 63
2.6.2 波型與波浪參數 64
2.6.3 壓載到港狀態的靜水剪力和彎矩計算 65
2.6.4 靜波浪剪力Nw及彎矩Mw計算 68
2.6.5 總縱彎矩與剪力計算 71
第3章船體總縱強度 73
3.1 船體總縱彎曲應力**次近似計算 73
3.1.1 計算剖面與縱向強力構件 73
3.1.2 船體剖面模數的計算及**次近似總縱彎曲應力 74
3.2 船體構件的穩定性和總縱彎曲應力的第二次近似計算 76
3.2.1 船體構件的工作特征 76
3.2.2 船體構件的穩定性檢驗 78
3.2.3 船體板折減繫數的計算 84
3.2.4 總縱彎曲應力的第二次及更高次近似計算 86
3.3 船體構件的多重作用及按合成應力校核總縱強度 88
3.3.1 船體構件的多重作用 88
3.3.2 底部構件中的應力合成 90
3.4 船體梁彎曲剪應力的計算 92
3.4.1 船體梁彎曲剪應力的一般公式 92
3.4.2 開式剖面構件的剪應力 94
3.4.3 多閉室剖面的剪應力 95
3.4.4 多閉室剖面剪流的計算示例 97
3.5 許用應力 99
3.6 船體撓度的計算 102
3.6.1 彎曲撓度曲線 102
3.6.2 剪切撓度曲線 104
第4章船體局部強度 106
4.1 局部強度計算的力學模型 106
4.1.1 建立計算模型的原則 106
4.1.2 構件幾何尺寸的簡化 107
4.1.3 骨架支撐條件的簡化 107
4.1.4 結構處理模型化 111
4.1.5 載荷模型化 113
4.2 船體骨架的帶板 114
4.3 典型船體結構的局部強度計算 117
4.3.1 船底結構的強度計算 117
4.3.2 甲板結構的強度計算 120
4.3.3 舷側結構的強度計算 123
4.3.4 艙壁結構的強度計算 125
第5章船體扭轉強度計算 133
5.1 船體扭轉強度計算分析 134
5.1.1 船體扭轉強度計算的方法與步驟 134
5.1.2 作用在船體上的扭轉外力 134
5.2 具有長大開口的船體扭轉變形 137
5.2.1 自由扭轉變形和翹曲變形 137
5.2.2 剖面扭轉慣性矩 137
5.3 規範關於波浪扭矩及波浪彎矩的公式 138
5.3.1 波浪扭矩的規範計算 138
5.3.2 斜浪下波浪彎矩的規範計算 139
5.3.3 彎扭組合合成正應力 140
5.4 大開口船舶彎扭組合分析的有限梁法 142
5.4.1 遷移矩陣法原理 143
5.4.2 計算實例 143
第6章船中剖面結構優化設計 148
6.1 船體結構優化設計概述 148
6.1.1 材料選擇 149
6.1.2 尺寸優化 149
6.1.3 形狀優化 150
6.1.4 拓撲優化 150
6.2 優化算法原理及其在船舶結構優化中的應用 150
6.2.1 準則法 151
6.2.2 數學規劃法 151
6.2.3 智能優化方法 151
6.3 中剖面計算法設計 153
6.3.1 基本任務 153
6.3.2 設計要求與目標 153
6.4 按規範要求的船中剖面優化設計 154
6.4.1 建立數學模型 155
6.4.2 數學優化方法 156
6.4.3 規範優化實例 157
6.5 基於直接計算的船中剖面優化設計 159
6.5.1 分級優化技術的基本思想 159
6.5.2 建立數學模型 160
6.5.3 直接計算優化實例 162
6.6 中剖面結構優化設計的遺傳算法實例 163
第7章船體結構規範法設計 168
7.1 規範法設計基本思路 169
7.1.1 規範法設計的步驟 169
7.1.2 建造規範的選用 169
7.1.3 結構布置的一般原則 170
7.1.4 結構設計通則 171
7.1.5 船體構件的材料級別和鋼級 176
7.2 規範對船體縱向強度的要求 180
7.3 外板及甲板的設計 185
7.3.1 外板 185
7.3.2 甲板板 188
7.4 船體骨架的設計 190
7.4.1 船體骨架設計計算的一般注意事項 190
7.4.2 規範對船體骨架要求的基本意義 191
7.5 應力集中區的結構設計 194
7.5.1 應力集中 194
7.5.2 開口的應力集中及降低角隅處應力集中的措施 194
7.5.3 肘板的應力集中 199
第8章上層建築設計 201
8.1 上層建築的變形特征 201
8.2 上層建築設計 203
8.2.1 強力上層建築的設計 204
8.2.2 輕型上層建築的設計 206
8.2.3 輕合金上層建築的設計 207
8.2.4 上層建築結構的一般布置 211
8.3 上層建築端部的應力集中及加強設計 212
8.3.1 應力集中繫數 212
8.3.2 端部應力集中的加強 212
8.4 上層建築振動計算分析 215
8.4.1 計算模型 215
8.4.2 質量分布及邊界條件 217
8.4.3 計算結果及評價
第9章船體結構直接計算 221
9.1 船體結構直接計算的基本考慮 221
9.1.1 通則 221
9.1.2 船舶結模型 222
9.1.3 計算工況 223
9.1.4 邊界條件 226
9.1.5 結果提交 228
9.2 船體結構直接計算所用載荷 228
9.2.1 設計載荷 228
9.2.2 運動和加速度 228
9.2.3 載荷計算 235
9.2.4 載荷分量及其施加 238
9.3 船體結構直接計算結果分析 238
9.4 板格屈曲校核 239
9.4.1 屈曲校核方法 239
9.4.2 校核區域 240
9.4.3 腐蝕厚度 240
9.4.4 屈曲因子計算 241
第10章共同結構規範 242
10.1 共同結構規範介紹 242
10.2 共同結構規範設計 243
10.2.1 共同結構規範設計原則 243
10.2.2 共同結構規範設計方法 243
10.3 船體梁極限強度 246
10.3.1 概述 246
10.3.2 船體梁極限強度計算方法 246
10.3.3 極限強度衡準 249
10.4 船體結構疲勞強度 250
10.4.1 概述 250
10.4.2 疲勞強度評估方法 251
10.4.3 疲勞強度標準 259
參考文獻 264

在線試讀

緒論
人類對船舶的利用可追溯到史前的刳木為舟。近代，船舶以其成本低、效率高、安全性強、能耗低、運量大等特點在人類經濟和社會發展過程中發揮著越來越重要的作用。船體是由板和梁組成的空間薄壁結構，它漂浮於水中，會受到來自水的載荷作用，同時船體本身還具有一定的承載能力。如果作用於船體的外載荷大於結構自身的承載能力，將會引起船體結構的破壞，影響船舶的正常使用，導致海難或海損事故的發生。因此，研究船體結構強度和進行合理的結構設計對於保證船體結構安全具有重要意義。
0.1 船體強度
人們對船體結構強度的研究有很長的歷史，T.Young（以楊氏模量為世人熟知）首次嘗試將船體視為一根梁，計算由分布重量、分布浮力和波浪引起的彎矩和剪力，並按此計算船體的總縱強度。隨後，I.K.Brunei在設計“Great Eastern”船時，按照梁理論計算了甲板和船底板的彎曲應力，並假定在擱淺狀態下由拉伸部分板的斷裂破壞條件確定了甲板和船底板的厚度。John提出了評估船體縱向強度的基本概念，假定波長等於船長，計算了船舯剖面的彎矩，應用梁理論計算甲板上的**應力，並與材料的斷裂應力做比較，按照板不發生斷裂破壞的條件來確定板厚。John的方法包括了船體梁總縱強度評估的所有重要方面，在John之後，很多學者在波浪載荷計算方法、應力分析方法以及失效準則，如疲勞、屈服、屈曲等方面做了改進，取得了一些進展，但基本概念並沒有發生根本性改變。也就是說，船體結構強度的研究包括以下三方面內容。
（1）外力。作用在船體結構上的載荷，按其對結構的影響，可分為總體性載荷和局部性載荷。總體性載荷是指引起整個船體的變形或破壞的載荷和載荷效應，如總縱彎曲的力矩、剪力以及扭矩等；局部性載荷是指引起局部結構、構件的變形或破壞的載荷，如水密實驗時的水壓力，機器的不平衡所造成的慣性力、局部振動，海損時水的壓力等。
（2）內力。確定結構剖面中的應力與變形，即結構的響應分析，或者求使結構失效時的載荷，即結構的極限狀態分析。
（3）強度標準。確定合適的強度標準，並檢驗船體結構強度是否滿足要求。
長期以來，船體結構強度標準采用確定性的許用應力法。該法以預先規定的計算載荷為基礎，利用結構剖面中的計算應力與許用應力相比較，即利用條件來檢驗結構強度是否滿足要求。該法的特點是將計算中的有關參數都取為單一的確定值。
實際上在船體強度計算中必須考慮許多不確定因素。首先，作用於船體的載荷具有很大的變動性和隨機性，特別是波浪引起的載荷；其次，船體結構材料的性能，如屈服極限、疲勞極限的不確定性；此外，建造質量（它對結構強度的影響特別大），分析計算中的簡化、假設、近似所造成的誤差等。由此可見，結構的安全性是屬於概率性的。因此，在結構強度計算中，隻有運用概率方法纔能充分揭示作用在船體結構上的隨機外力的真相和結構材料在隨機載荷作用下的破壞機理。
由於船體結構本身及其環境條件相互作用的復雜性，在船舶結構工程中概率方法的應用仍處於初步階段。目前，在船舶建造規範中，對於常規船舶，波浪載荷仍以傳統形式表達，但應用了隨機性波譜理論以一定概率水平預報；而對於超過規範規定的範圍的船舶，則明確規定了一種半概率的“直接計算法”作為補充，即對波浪載荷運用概率方法進行長期預報，但對船體結構的承載能力仍沿用傳統的許用應力方法。
通常，可將船體結構強度分為總縱強度、橫向強度和局部強度來研究。
船體是典型的細長體結構，通常都是將船體作為一個整體（船體梁）來研究其抵抗縱向彎曲的能力，這就稱為船體的總縱強度。總縱強度對應的外力是總縱彎曲力，是作用在整個船體上的重力、浮力、波浪水動力和慣性力等，使船體產生總縱彎曲。橫向強度是船體結構抵抗橫向彎曲的能力，船體橫向強度對應的外力除了總縱彎曲力外，還有橫向水的壓力和波浪的衝擊力。另外，船體在外力的作用下，不僅會發生總縱彎曲和橫向彎曲，還會發生局部變形，如果局部變形超過一定的限度，也會影響船舶正常工作或對船體造成損壞，進而危及船舶安全。這就要求船體局部結構也必須具有承受一定的載荷、抵抗破壞的能力，這種能力就稱為船體局部強度。
（1）總縱強度。船舶一般都是細長體，變形主要是縱向彎曲變形，一直以來總縱強度主要是研究船體梁的總縱彎曲問題。隨著集裝箱船這類大開口船舶的發展，計算扭轉強度也十分必要，尤其是縱彎和扭轉聯合作用下的總強度問題。
（2）橫向強度。船體在水中除了受到總縱彎曲力的作用外，其橫向受到水的壓力和波浪的衝擊力作用，隨著水深的增加，水對船體的壓力也逐漸增加，所以船舶水下部分結構的橫向強度要求更高。此外，船舶在靠離碼頭，與其他船舶相近航行時有撞擊可能，對舷側部分的橫向強度也有一定要求。
（3）局部強度。組成船體的各局部結構、構件、節點還會因局部載荷和船體梁應力而發生變形或受到破壞，從局部上研究其變形規律和抵抗破壞的能力，通常稱為局部強度。船舶在營運過程中發生的損壞，絕大部分都是局部強度問題。而且各船級社結構設計規範也都是基於局部強度來規定構件剖面尺寸的。局部強度的計算是在船舶結構力學的基礎上，運用船體結構的基礎知識，對局部結構進行計算分析。
0.2 結構設計
船體結構設計通常在船舶總體設計完成之後進行，此時船舶的主尺度、船體型線及總體布置（船舶建築形式、甲板層數、甲板與內底位置及艙室的劃分等）已經確定。因此，結構設計的基本任務是，選擇合適的結構材料和結構形式，決定全部構件的尺寸和連接方式，在保證具有足夠的強度和安全性等要求下，使結構具有**的技術經濟性能。
船體結構設計，一般隨全船設計過程分為三個階段，即初步設計、詳細設計和生產設計。在不同的階段完成不同的工作：
（1）初步設計。根據批準的技術規格書對整體結構的設計原則（結構布置、結構形式等）做出分析比較，對主要構件的布置與尺寸做出理論估算，並繪制典型橫剖面圖，給出鋼料預估單。
（2）詳細設計。根據確認的初步設計時的各項決定進行。在這一階段，全面解決結構設計中的技術問題，確定構件的布置、尺寸及連接方式等，提交送船級社審查所需的設計圖紙及技術文件。
（3）生產設計。根據船級社批準的詳細設計圖紙，確定各部結構、構件連接的施工詳圖、工藝措施、裝配順序等船體結構施工的一切生產技術準備工作。
長期以來，船舶的結構設計主要以各船級社頒布的有關規範為依據，即所謂規範設計法。根據船舶主尺度和結構形式及各種營運、施工要求，按船級社制定的船舶建造規範的有關規定，決定構件的布置與尺度，再進行總縱強度與局部強度、結構穩定性校核。若有不合理之處，則修改原設計方案或按要求進行局部結構加強，重復校核，直至滿足要求為止。
對於新船型、新的結構形式或船舶尺寸超出了規範所規定的範圍，規範設計法不再適用，需進行結構直接計算來確定結構的尺寸。隨著計算技術的發展和分析手段的提高，結構直接計算在船體結構設計中的應用越來越廣泛。
對於一個優秀的船體結構設計，通常應滿足以下幾個方面。
（1）安全性。結構要能承受正常使用時各種可能的載荷作用，並在偶然事件發生時及發生後，仍能保持必需的整體穩定性。
（2）營運適合性。船體結構要盡可能滿足船舶的使用要求，適合於營運的條件。
（3）整體配合性。船舶是一個整體，結構設計必須同總體、輪機、電氣等各方面的設計互相配合，以保證其在各方面都具有良好的工作性能。
（4）耐久性。所謂耐久性是船體結構維持其原來結構效率水平的能力，即在正常的維修保養條件下，能夠使用到預定的年限。
（5）工藝性。設計的結構必須便於施工、保證施工質量，同時能**限度地減少建造工作量，以降低制造成本。
（6）經濟性。對於民用船舶，通常設計的總目標是，使船舶在整個壽命周期內具有**的經濟效益。
上述第（2）、（3）項要求是指結構的適用性。而安全性、適用性、耐久性三者總稱為結構的可靠性。在可靠性中，安全性直接關繫到船舶甚至人身安全以及船舶經濟效益問題，因此是*重要的要求。
當前船體結構設計的主題是“減重增載”，即通過技術手段（結構**化技術、計算分析技術、輕質材料應用技術等），明確船體結構的受力狀態和特點，合理分配材料，在確保結構安全使用的前提下，設計出合理可靠的輕量化的船體結構，提升我國造船業在國際市場上的競爭力，為擴大我國船舶產品在國際市場的份額提供技術支撐。
0.3 本書內容
本書包括船體強度和結構設計兩部分內容，共分為10章。第1章介紹船體結構基礎知識，包括各船型的結構特征和主要結構強度問題；第2章主要介紹作用於船體的外載荷，包括靜水載荷和波浪載荷及其計算方法；第3章介紹船體總縱強度，包括總縱強度計算和許用應力等；第4章介紹船體結構局部強度計算，包括局部強度計算模型、計算方法以及計算結果評價等內容；第5章介紹船體扭轉強度計算，包括作用於船體的扭轉載荷、變形特征及分析方法；第6章介紹船中剖面結構優化設計方法，將優化算法及優化設計方法應用於船中剖面優化設計；第1章介紹船體結構規範設計，從規範法設計基本思路，規範要求及應力集中區的結構設計等方面展開闡述；第8章介紹上層建築設計理論及方法；第9章為船體結構直接計算分析，介紹直接計算模型、載荷、計算結果分析及屈曲校核；第10章介紹共同結構規範（CSR）的基礎知識，包括共同結構規範設計原則、設計方法及船體梁極限強度和船體結構疲勞強度。
第1章船體結構基礎
一直以來，在進行船體結構響應分析時都是將結構模型和載荷進行適當簡化，這是因為當時的結構分析方法以及計算技術還沒有現在這麼發達。即使在計算技術如此發達的當今，在進行船體結構直接計算之前也必須仔細考慮如何將實際結構理想化成計算分析模型。為了得到合適的船體結構計算模型和工作載荷，有必要了解船體結構的特點以及作用在其上的載荷。
本章首先講解的是作用在船體結構上的載荷的特點。然後，基於船體結構的特點和各個構件所起的作用，對載荷在船體結構間的傳遞和產生的變形進行講解。*後，以七種典型船舶為例，從結構強度角度解釋其結構特征和結構設計時需要注意的事項。
1.1 船體結構間載荷傳遞和結構的變形
在結構計算分析時，為使數值計算能進行下去，需要施加一定的邊界條件。邊界條件可分為兩種，分別為動力邊界條件和幾何邊界條件。在動力邊界條件下，沿著邊界施加節點力或力矩，而在幾何邊界條件下，沿著邊界施加位移或轉角。然而，船體是由浮力提供支持的，這意味著所謂的位移或轉角等幾何邊界條件實際上是不存在的。
在船體結構計算分析過程中，需要施加*小限度的幾何邊界條件以避免其產生剛體運動。由外部水壓力和內部貨物壓力產生的分布表面力被施加於船體表面作為動力邊界條件；由船體運動加速度（包括重力加速度）產生的慣性力以體積力的形式作用於船體結構。
如果不考慮成本和計算工作量，在當今對上述載荷條件下進行全船結構計算分析是完全可能的。然而，實際上一般隻要求對部分船體結構進行計算分析，以確定其結構強度是否滿足要求，可以針對性地對某一構件或某些構件進行評估，而不必進行全船結構的計算分析。另外，進行全船結構計算分析需要耗費大量的人力、物力和財力，實際中往往難以實施。當采用部分結構模型時，即把部分結構從整船結構中分離出來進行計算分析，要特別注意在斷面上施加合適的邊界條件。此外，在某些情況下，需要對載荷進行簡化，如用集中載荷代替分布載荷。為了對船體結構局部模型進行正確的計算分析，有必要了解力在船體構件間的傳遞機理以及各個構件在載荷作用下的變形特征。
軟件還沒有廣泛使用前，建立船體結構計算模型時需要考慮力在各構件間的傳遞以及引起的變形。在此，先講解這類基本問題。
作用於船體結構上的外部載荷有體積力（如船體重量、貨物重量和慣性力等）和表面力（如外部/內部壓

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