船舶强度与结构设计
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2.船体强度计算内容和方法
(1)确定作用在船体及各个结构上的外力。 (2)确定船体结构在外载作用的响应:结构 剖面中的应力与变形 ;结构的极限状态分 析。即所谓内力问题。 (3)确定合适的强度标准,并检验强度条件。 这三部分内容是一个综合的整体,通常 被
分散到船舶静力学、船船结构力学等几门课 程中讨论。
局部强度─局部构件(纵桁、横梁、肋骨等)、节 点(肘板等)、局部结构(舱壁、甲板、船底板、 舷侧板等)的强度。
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§2 作用在船 体结构上的 载荷
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作用于船体上的载荷可按其响应和随时间变化进行 分类。
1.按结构响应分类:总体性载荷和局性载荷。 总体性载荷─引起整个船体变形或破坏的载荷和 载荷效应。如总纵弯曲的力矩、剪力、应力及纵 向扭矩等。
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§4 评价结构 设计的质 量指标
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为得到一个优秀的结构设汁,应考虑以下问 题:
1.安全性
即结构要能承受正常使用时各种可能的 载荷作用,并在偶然事件发生时及发生后, 仍能保持必需的整体稳定性(即仅产生局部 损坏而不发生整体的破坏)。
2.船舶的整体配合性
船舶是一个整体,在船舶设计时,结构 设计必须同总体、轮机、设备电气及通风等 其它方面的设计互相配合,以保证船舶在各 方面都具有良好的工作性能。
船体强度是研究船体结构安全性的科学。
1.结构的安全性
结构的安全性包括: (1)结构能承受在正常施工和正常使用时可 能出现的各种载荷,并在偶然事件发生时及发 生后仍能保持必需的整体稳定性。 (2)结构在正常使用时,对于民船必须适合 营运的要求,和具有足够的耐久性;对于军船 还必须满足在规定海况下,具有良好的战斗性 能和生命力。
局部性载荷─指引起局部结构、构件变形或破坏的 载荷,如水密试验时的水压力,机器的不平衡所 造成的惯性力、局部振动,海损时的水压力等。
船体受到的最基本的载荷有:装载的货物(或武备)、 油、水等重力及舷外水压力(静水或波浪)。这些载 荷既引起局部结构、构件的变形成破坏,同时又 是引起船体梁总纵弯曲或扭转的基本载荷。
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2.按载荷随时间变化分类:不变载荷、静载荷、动 载荷和冲击载荷。 不变载荷─在作用时间内不改变其大小的载荷, 如静水载荷(包括静水压力、货物压力、静水弯矩 等)、水密试验时的水压力等。在不变载荷作用下 的结构响应分析称为静力分析。 静载荷─载荷在作用时间内基本不变化的,故又 称为准静态载荷。如,作用于船体的波浪载荷(包 括动水压力、波浪诱导弯矩等)、液体货物的晃动 压力、航行中的甲板上浪、下水载荷等,其中最 重要的是波浪载荷。由于波浪载荷的随机性以及 载荷与响应之间的复杂的相互作用,其计算是一 项复杂的任务它涉及统计理论、流体动力学,以 及系统分析等多种专门知识。
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动载荷─是指在作用时间内的变化周 期与所研究的结构构件响应的固有振 动周期同阶。如局部结构的强迫(机械) 振动、由螺旋桨引起的脉动压力、船 体梁的波激振动等。这方面的内容属 于“船舶振动”课程内容。 冲击载荷─指在非常短的时间内突然 作用的载荷,例如砰击,水下爆炸冲 击等。
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在计算动载荷及冲击载荷的响应时, 通常需作动力分析才能有足够的精度。
传统的评定船体强度和确定性的 设计方法终将会由船体结构的可靠性 分析的概率设计计算方法所代替。
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总强度─将船体当作飘浮的空心薄壁梁(称为 船体梁),从整体上研究其变形规律和抵抗 破坏的能力,通常称为总强度。
由于舶体主要是纵弯曲变形,所以总 强度就是研究船体梁纵弯曲问题。
随着如集装箱船这类甲板长大开口船 的出现,计算扭转强度也成了十分重要的 问题,目前在这方面的研究已取得了长足 的进步。
通常静力分析和动力分析是分开进 行的,动力分析通常只研究对于静载 荷的偏离,因此,结构总的响应为这 两种分析结果的和。
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§3 结构设计 的基本任 务和内容
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结构设计通常在船舶总体设计完成之后, 船舶的主要尺度、船体型线及总体布置(船 舶建筑型式、甲板层数、甲板与内底位置 及舱室的划分等)已经确定后进行。
1.结构设计的基本任务:
1)选择合适的结构材料和结构型式; 2)决定全部构件的尺寸和连接方式; 3)在保证具有足够的强度和安全性等要求 下,使结构具有最佳的技术经济性能。
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2.船体结构设计各阶段的任务
船体结构设计分为三个阶段,即初步设计、 详细设计和生产设计。在不同的阶段完成不同的 工作: (1)初步设计 根据技术任务书对整个结构的设计 原则(例如,船体材料及结构型式的选择、重大技 术措施的采取等)进行分析比较,对主要构件的布 置与尺过进行理论估算,并绘制横剖面图,给出 钢料预估单。 (2)详细设计 根据确认的初步设计及审批初步设 计时所作的各项决定,解决结构设计中的技术问 题,最终确定构件的布置、尺寸及连接方式,提 交验船部门审查所需要的设计图纸及技术文件。 (3)生产设计 绘制各部结构、构件连接的施工详 图,以及分段施工图等。
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直至目前造船业仍将船舶静置在波浪上 的纵强度计算的标准方法。由于所有船舶 的强度都是在同一计算原理的基础上进行 比较,而作为比较标准的许用应力又是以 大量安全航行的总纵弯曲应力计算、海损 事故的纵强度分析以及实船测量所得的大 量应力数据为基础,并按照安全要பைடு நூலகம்制定 出来的。实践表明,采用这种方法在一定 范围内进行应力比较和判断船体强度,具 有简单、方便、可靠等优点。
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结构的安全性标准以在规定计算载荷下计算 结构剖面中的应力 与许用应力[ ] 相比较, 即利用条件 [ ] 检验强度是否足够。
实际上在船体强度计算中有许多不确定因 素:
(1) 载荷具有很大的变动性和随机性; (2) 材 料的性能的不确定性; (3)建造质量,分析计 算中的简化、假设、近似所造成的误差等。
因此,结构的安全性是属于概率性的,只有 运用概率方法才能充分揭示作用在船体结构中 的随机外力的真相和结构材料在随机载荷作用 下的破坏机理。
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在船舶结构工程中概率方法的应用目 前仍处于初步阶段。现行对民船仍采 用规范法,对超规船则辅以直接计算 方法,而军船则采用计算方法。在具 体计算中,通常将船体强度分为总强 度和局部强度进行研究。