船体强度与结构设计第2章资料课件

第第第第2 2 2 2章章章章 船体总纵强度计算船体总纵强度计算船体总纵强度计算船体总纵强度计算 目的目的在已计算出总纵弯矩和剪力的基础上，对选定的在已计算出总纵弯矩和剪力的基础上，对选定的船体结构横剖面，计算出船体总纵弯曲应力。船体结构横剖面，计算出船体总纵弯曲应力。要求要求掌握总纵弯曲应力的计算方法。掌握总纵弯曲应力的计算方法。Ship Strength and Structural Design 第2章 船体总纵强度计算 目的 Ship Strength and Structural Design 2.1 船体总纵弯曲应力的第一次近似计算船体总纵弯曲应力的第一次近似计算 2.2 船船体体构构件件的的稳稳定定性性检检验验和和总总纵纵弯弯曲曲应应力力的第二次近似计算的第二次近似计算 2.3 船船体体构构件件的的多多重重作作用用及及按按合合成成应应力力校校核核总纵强度总纵强度 2.4 船体梁弯曲剪应力的计算船体梁弯曲剪应力的计算 2.5 许用应力许用应力 2.6 船体挠度的计算船体挠度的计算 2.7 船体极限弯矩的计算船体极限弯矩的计算 第第第第2 2 2 2章章章章 船体总纵强度计算船体总纵强度计算船体总纵强度计算船体总纵强度计算 Ship Strength and 2.1 2.1 船体总纵弯曲应力的第一次近似计算船体总纵弯曲应力的第一次近似计算Ship Strength and Structural Design 第第第第2 2 2 2章章章章 船体总纵强度计算船体总纵强度计算船体总纵强度计算船体总纵强度计算 2.1 船体总纵弯曲应力的第一 2.1 2.1 船体总纵弯曲应力的船体总纵弯曲应力的第一次近似计第一次近似计算算知识点知识点简单梁的理论，船体剖面模数，总纵弯曲应力的简单梁的理论，船体剖面模数，总纵弯曲应力的计算公式，计算剖面，纵向强力构件，强力甲板，计算公式，计算剖面，纵向强力构件，强力甲板，最小剖面模数，船体梁计算剖面简图。剖面水平最小剖面模数，船体梁计算剖面简图。剖面水平中和轴，不同材料的换算。中和轴，不同材料的换算。Ship Strength and Structural Design 2.1 船体总纵弯曲应力的第计算原理计算原理在研究船体的总纵强度时，把船体看作是一个变在研究船体的总纵强度时，把船体看作是一个变截面的空心薄壁梁（称为截面的空心薄壁梁（称为船体梁船体梁）。在求得船体）。在求得船体梁的总纵弯曲力矩之后，就可以计算船体梁的总梁的总纵弯曲力矩之后，就可以计算船体梁的总纵弯曲应力，以便进行强度校核。纵弯曲应力，以便进行强度校核。应用简单梁的弯曲理论，船体梁的总纵弯曲应力应用简单梁的弯曲理论，船体梁的总纵弯曲应力是是 Ship Strength and Structural Design计算原理计算原理计算原理计算原理 2.1 2.1 船体总纵弯曲应力的船体总纵弯曲应力的第一次近似计第一次近似计算算式中式中 ：所求应力点至水平中和轴的垂直距离。：所求应力点至水平中和轴的垂直距离。：计算剖面的总纵弯矩；：计算剖面的总纵弯矩；：计算剖面关于水平中和轴的惯性矩；：计算剖面关于水平中和轴的惯性矩；计算原理Ship Strength and Structur由上式可知，船体剖面上的弯曲应力沿高度方向由上式可知，船体剖面上的弯曲应力沿高度方向呈线性分布。在船体强度计算中通常把上式改写呈线性分布。在船体强度计算中通常把上式改写为为 Ship Strength and Structural Design计算原理计算原理计算原理计算原理 2.1 2.1 船体总纵弯曲应力的船体总纵弯曲应力的第一次近似计第一次近似计算算式中式中为为了了计计算算弯弯曲曲应应力力，必必须须首首先先选选择择计计算算剖剖面面，然然后后确确定定计计算算剖剖面面对对水水平平中中和和轴轴的的惯惯性性矩矩，以以及及剖剖面任意构件至水平中和轴的距离。面任意构件至水平中和轴的距离。：称为：称为船体剖面模数船体剖面模数。显然，当弯矩值一定时，。显然，当弯矩值一定时，剖面模数越大，弯曲应力越小。剖面模数越大，弯曲应力越小。由上式可知，船体剖面上的弯曲应力沿高度方向呈线性分布。在船体计算剖面的选择计算剖面的选择为了进行总纵强度校核，必须首先确定对哪些剖为了进行总纵强度校核，必须首先确定对哪些剖面进行计算。显然，仅仅需要对面进行计算。显然，仅仅需要对可能出现最大弯可能出现最大弯曲应力的剖面曲应力的剖面进行计算，这些剖面称为进行计算，这些剖面称为危险剖面危险剖面或或计算剖面计算剖面。计算剖面的选择原则：计算剖面的选择原则：1）由总纵弯曲力矩曲线可知，最大弯矩一般在船）由总纵弯曲力矩曲线可知，最大弯矩一般在船中中0.4倍船长范围内，所以计算剖面一般应选择此倍船长范围内，所以计算剖面一般应选择此范围内的最弱剖面，即有最大的舱口或其它开口范围内的最弱剖面，即有最大的舱口或其它开口的剖面，如机舱、货舱开口剖面。的剖面，如机舱、货舱开口剖面。2）船体骨架改变处的剖面，上层建筑端壁处的剖）船体骨架改变处的剖面，上层建筑端壁处的剖面，主体材料分布变化处的剖面，以及由于重量面，主体材料分布变化处的剖面，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。分布特殊可能出现相当大的弯矩值的某些剖面。Ship Strength and Structural Design计算剖面的选择计算剖面的选择计算剖面的选择计算剖面的选择 2.1 2.1 船体总纵弯曲应力的船体总纵弯曲应力的第一次近似计第一次近似计算算计算剖面的选择Ship Strength and Struc计算船体剖面模数的考虑计算船体剖面模数的考虑计算剖面确定后，在计算船体剖面模数之前，首计算剖面确定后，在计算船体剖面模数之前，首先要确定哪些构件能够完全有效地参加抵抗总纵先要确定哪些构件能够完全有效地参加抵抗总纵弯曲变形（并非所有纵向布置的构件都能完全有弯曲变形（并非所有纵向布置的构件都能完全有效地参加抵抗总纵弯曲），亦即哪些构件可以计效地参加抵抗总纵弯曲），亦即哪些构件可以计入计算剖面。由于船体中构件的长、短和构件所入计算剖面。由于船体中构件的长、短和构件所处的位置不同，纵向构件参加抵抗总纵弯曲的程处的位置不同，纵向构件参加抵抗总纵弯曲的程度是不同的。度是不同的。Ship Strength and Structural Design计算船体剖面模数的考虑计算船体剖面模数的考虑计算船体剖面模数的考虑计算船体剖面模数的考虑 2.1 2.1 船体总纵弯曲应力的船体总纵弯曲应力的第一次近似计第一次近似计算算计算船体剖面模数的考虑Ship Strength and S（1）纵向强力构件纵向强力构件纵向连续并能完全有效的传递总纵弯曲应力的构纵向连续并能完全有效的传递总纵弯曲应力的构件，称为件，称为纵向强力构件纵向强力构件。船中部。船中部0.40.5 倍船长倍船长区域内连续的纵向构件，如上甲板、外板、内底区域内连续的纵向构件，如上甲板、外板、内底板、纵桁、纵骨以及符合上述要求的其它构件都板、纵桁、纵骨以及符合上述要求的其它构件都是纵向强力构件。是纵向强力构件。在计算剖面模数时，纵向强力构件的面积在计算剖面模数时，纵向强力构件的面积100%全全部计入。部计入。Ship Strength and Structural Design计算船体剖面模数的考虑计算船体剖面模数的考虑计算船体剖面模数的考虑计算船体剖面模数的考虑 2.1 2.1 船体总纵弯曲应力的船体总纵弯曲应力的第一次近似计第一次近似计算算（1）纵向强力构件Ship Strength and Str（2）间断构件间断构件长度较短不能完全有效的传递总纵弯曲应力的构长度较短不能完全有效的传递总纵弯曲应力的构件，称为件，称为间断构件间断构件。如甲板室、开口间的甲板等。如甲板室、开口间的甲板等。间断构件参加抵抗总纵弯曲的程度取决于它们自间断构件参加抵抗总纵弯曲的程度取决于它们自身的构造和长度。一般而言，间断构件的端部，身的构造和长度。一般而言，间断构件的端部，不参加抵抗总纵弯曲，从端部到构件长度的中部，不参加抵抗总纵弯曲，从端部到构件长度的中部，参加抵抗总纵弯曲的程度逐渐提高。对于不参加参加抵抗总纵弯曲的程度逐渐提高。对于不参加抵抗总纵弯曲的构件的面积，应该扣除，即在计抵抗总纵弯曲的构件的面积，应该扣除，即在计算剖面模数的时候，算剖面模数的时候，不考虑不参加抵抗总纵弯曲不考虑不参加抵抗总纵弯曲的构件的面积的构件的面积。Ship Strength and Structural Design计算船体剖面模数的考虑计算船体剖面模数的考虑计算船体剖面模数的考虑计算船体剖面模数的考虑 2.1 2.1 船体总纵弯曲应力的船体总纵弯曲应力的第一次近似计第一次近似计算算（2）间断构件Ship Strength and Struc1）连续长度大于船体计算剖面本身高度）连续长度大于船体计算剖面本身高度3倍的舱倍的舱口纵向围板、纵桁等纵向构件能完全有效的参加口纵向围板、纵桁等纵向构件能完全有效的参加抵抗总纵弯曲，在计算剖面模数时，这些构件的抵抗总纵弯曲，在计算剖面模数时，这些构件的面积面积100%全部计入。全部计入。Ship Strength and Structural Design计算船体剖面模数的考虑计算船体剖面模数的考虑计算船体剖面模数的考虑计算船体剖面模数的考虑 2.1 2.1 船体总纵弯曲应力的船体总纵弯曲应力的第一次近似计第一次近似计算算1）连续长度大于船体计算剖面本身高度3倍的舱口纵向围板、纵桁2）长度超过）长度超过15%船长，且长度大于船长，且长度大于6倍自身高度倍自身高度的上层建筑以及同时受到不少于的上层建筑以及同时受到不少于3个横舱壁或类似个横舱壁或类似结构支持的长甲板室，可以认为其中部能完全有结构支持的长甲板室，可以认为其中部能完全有效的参加抵抗总纵弯曲，但是其端部参加抵抗总效的参加抵抗总纵弯曲，但是其端部参加抵抗总纵弯曲的程度较小，需要扣除不参加抵抗总纵弯纵弯曲的程度较小，需要扣除不参加抵抗总纵弯曲的构件面积。曲的构件面积。Ship Strength and Structural Design计算船体剖面模数的考虑计算船体剖面模数的考虑计算船体剖面模数的考虑计算船体剖面模数的考虑 2.1 2.1 船体总纵弯曲应力的船体总纵弯曲应力的第一次近似计第一次近似计算算2）长度超过15%船长，且长度大于6倍自身高度的上层建筑以3）靠近舱口前后端的甲板，位于两个）靠近舱口前后端的甲板，位于两个 角的斜角的斜线构成的阴影区域内的构件不参加抵抗总纵弯曲，线构成的阴影区域内的构件不参加抵抗总纵弯曲，该部分构件的面积不计入剖面模数的计算。由于该部分构件的面积不计入剖面模数的计算。由于舱口间甲板参加抵抗总纵弯曲的程度很小，舱口舱口间甲板参加抵抗总纵弯曲的程度很小，舱口之间的横剖面是船体结构的薄弱剖面之一。之间的横剖面是船体结构的薄弱剖面之一。Ship Strength and Structural Design计算船体剖面模数的考虑计算船体剖面模数的考虑计算船体剖面模数的考虑计算船体剖面模数的考虑 2.1 2.1 船体总纵弯曲应力的船体总纵弯曲应力的第一次近似计第一次近似计算算4）构件上的开口通常按照强度计算的相关规定来）构件上的开口通常按照强度计算的相关规定来决定是否扣除开口部分的面积。决定是否扣除开口部分的面积。3）靠近舱口前后端的甲板，位于两个 角的斜线构成的不同材料的剖面面积换算不同材料的剖面面积换算不同材料的剖面面积换算不同材料的剖面面积换算如果参加抵抗总纵弯曲变形的构件中，有些构件如果参加抵抗总纵弯曲变形的构件中，有些构件采用不同材料时，那么首先应该将这些构件的剖采用不同材料时，那么首先应该将这些构件的剖面积换算成相当于基本材料的剖面积后面积换算成相当于基本材料的剖面积后，再进行，再进行剖面模数的计算。剖面模数的计算。Ship Strength and Structural Design不同材料的剖面面积换算不同材料的剖面面积换算不同材料的剖面面积换算不同材料的剖面面积换算 2.1 2.1 船体总纵弯曲应力的船体总纵弯曲应力的第一次近似计第一次近似计算算若被换算的构件的剖面积为若被换算的构件的剖面积为 ，应力为，应力为 ，弹性，弹性模量为模量为 ；与其等效的基本材料的剖面积为；与其等效的基本材料的剖面积为 ，应力为应力为 ，弹性模量为，弹性模量为 ，则根据变形相等且承，则根据变形相等且承受同样的力受同样的力 ，可得：，可得：故有：故有：不同材料的剖面面积换算Ship Strength and S在计算剖面模数时，可以认为船体梁仅由一种基在计算剖面模数时，可以认为船体梁仅由一种基本材料构成，而把与基本材料不同的构件的剖面本材料构成，而把与基本材料不同的构件的剖面积乘以两材料的弹性模量之比积乘以两材料的弹性模量之比 ，同时不改变该，同时不改变该构件的形心位置。构件的形心位置。因此，对薄壁构件，相当于仅因此，对薄壁构件，相当于仅对板厚作上述变换。如果是垂直板，其自身惯性对板厚作上述变换。如果是垂直板，其自身惯性矩矩 应为：应为：Ship Strength and Structural Design不同材料的剖面面积换算不同材料的剖面面积换算不同材料的剖面面积换算不同材料的剖面面积换算 2.1 2.1 船体总纵弯曲应力的船体总纵弯曲应力的第一次近似计第一次近似计算算式中式中 是垂直板的高度。是垂直板的高度。在计算剖面模数时，可以认为船体梁仅由一种基本材料构成，而把与船体剖面模数的计算船体剖面模数的计算船体剖面模数的计算船体剖面模数的计算由于船体结构对称于中纵剖面，一般只需对半个由于船体结构对称于中纵剖面，一般只需对半个剖面进行计算。具体步骤如下：剖面进行计算。具体步骤如下：首先，画出船体计算剖面的半剖面图，如图所示。首先，画出船体计算剖面的半剖面图，如图所示。Ship Strength and Structural Design船体剖面模数的计算船体剖面模数的计算船体剖面模数的计算船体剖面模数的计算 2.1 2.1 船体总纵弯曲应力的船体总纵弯曲应力的第一次近似计第一次近似计算算船体剖面模数的计算Ship Strength and Str然后，选取参考轴然后，选取参考轴 ，该轴可选在离基线，该轴可选在离基线0.45倍倍0.50倍型深处，或就在基线处。最后，列表进行倍型深处，或就在基线处。最后，列表进行计算，分别求出各构件的剖面积计算，分别求出各构件的剖面积 ，其形心位置至，其形心位置至参考轴的距离参考轴的距离 ，静力矩，静力矩 ，惯性矩，惯性矩 。对于。对于高度较大的垂向构件，如舷侧板等，还要计算其自高度较大的垂向构件，如舷侧板等，还要计算其自身惯性矩身惯性矩 （为垂向构件的垂直高度，为垂向构件的垂直高度，这种表达式也适用于倾斜板的剖面）。这种表达式也适用于倾斜板的剖面）。Ship Strength and Structural Design船体剖面模数的计算船体剖面模数的计算船体剖面模数的计算船体剖面模数的计算 2.1 2.1 船体总纵弯曲应力的船体总纵弯曲应力的第一次近似计第一次近似计算算然后，选取参考轴 ，该轴可选在离基线0.45倍0由此，剖面水平中和轴至参考轴的距离是由此，剖面水平中和轴至参考轴的距离是 Ship Strength and Structural Design船体剖面模数的计算船体剖面模数的计算船体剖面模数的计算船体剖面模数的计算 2.1 2.1 船体总纵弯曲应力的船体总纵弯曲应力的第一次近似计第一次近似计算算令令由移轴定理，剖面对水平中和轴的惯性矩是由移轴定理，剖面对水平中和轴的惯性矩是 任意构件至中和轴的距离是任意构件至中和轴的距离是 由此，剖面水平中和轴至参考轴的距离是 Ship StrengShip Strength and Structural Design船体剖面模数的计算船体剖面模数的计算船体剖面模数的计算船体剖面模数的计算 2.1 2.1 船体总纵弯曲应力的船体总纵弯曲应力的第一次近似计第一次近似计算算最上层连续甲板和船底是船体剖面中离中和轴最最上层连续甲板和船底是船体剖面中离中和轴最远的构件，构成了船体梁的上下翼板。构成船体远的构件，构成了船体梁的上下翼板。构成船体梁上翼板的最上层连续甲板通常称为梁上翼板的最上层连续甲板通常称为强力甲板强力甲板。设中和轴至强力甲板和船底的垂直距离分别为和设中和轴至强力甲板和船底的垂直距离分别为和 ，则强力甲板和船底处的剖面模数分别是，则强力甲板和船底处的剖面模数分别是 在一般船舶中，中和轴离船底较近，即在一般船舶中，中和轴离船底较近，即 ，因此，因此 。所以，有时也称强力甲板处剖。所以，有时也称强力甲板处剖面模数为船体剖面的面模数为船体剖面的最小剖面模数最小剖面模数。Ship Strength and Structural DShip Strength and Structural Design总纵弯曲应力的第总纵弯曲应力的第总纵弯曲应力的第总纵弯曲应力的第1 1次近似计算次近似计算次近似计算次近似计算 2.1 2.1 船体总纵弯曲应力的船体总纵弯曲应力的第一次近似计第一次近似计算算总纵弯曲应力的第总纵弯曲应力的第总纵弯曲应力的第总纵弯曲应力的第1 1次近似计算次近似计算次近似计算次近似计算构件中的总纵弯曲应力是构件中的总纵弯曲应力是 按上式求得的应力称为总纵弯曲应力的第一次按上式求得的应力称为总纵弯曲应力的第一次近似计算值。近似计算值。总纵弯曲应力的第一次近似计算，仅仅是一种总纵弯曲应力的第一次近似计算，仅仅是一种强度方面的计算，其前提就是剖面上的构件没强度方面的计算，其前提就是剖面上的构件没有失稳。有失稳。Ship Strength and Structural DShip Strength and Structural Design总纵弯曲应力的第总纵弯曲应力的第总纵弯曲应力的第总纵弯曲应力的第1 1次近似计算次近似计算次近似计算次近似计算 2.1 2.1 船体总纵弯曲应力的船体总纵弯曲应力的第一次近似计第一次近似计算算例：考虑横剖面是圆环形的受压钢管，如图所示。例：考虑横剖面是圆环形的受压钢管，如图所示。横剖面直径是横剖面直径是120mm，壁厚是，壁厚是10mm，根据海船，根据海船建造规范，取许用应力为建造规范，取许用应力为124N/mm2。根据强度要求，钢管可以承受的压力是：根据强度要求，钢管可以承受的压力是：Ship Strength and Structural DShip Strength and Structural Design总纵弯曲应力的第总纵弯曲应力的第总纵弯曲应力的第总纵弯曲应力的第1 1次近似计算次近似计算次近似计算次近似计算 2.1 2.1 船体总纵弯曲应力的船体总纵弯曲应力的第一次近似计第一次近似计算算根据强度要求，钢管可以承受的压力是：根据强度要求，钢管可以承受的压力是：根据稳定性要求，钢管允许承受的压力是：根据稳定性要求，钢管允许承受的压力是：显然，当压力达到强度允许的显然，当压力达到强度允许的71%时，钢管已时，钢管已经失去稳定性。经失去稳定性。船体结构的设计，必须满足强度和稳定性两个船体结构的设计，必须满足强度和稳定性两个方面的要求。方面的要求。Ship Strength and Structural D 2.2 2.2 船体构件的稳定性检验船体构件的稳定性检验和总纵弯曲应力的第二次近似计和总纵弯曲应力的第二次近似计算算Ship Strength and Structural Design 第第第第2 2 2 2章章章章 船体总纵强度计算船体总纵强度计算船体总纵强度计算船体总纵强度计算 2.2 船体构件的稳定性检验和 2.2 2.2 船体构件的稳定性检验和总纵弯曲应力船体构件的稳定性检验和总纵弯曲应力的的第第2 2次近似计算次近似计算知识点知识点船体构件的工作特性，按简单梁理论计算的有效性，船体构件的工作特性，按简单梁理论计算的有效性，船体总纵强度计算中必须考虑的两个主要问题。船船体总纵强度计算中必须考虑的两个主要问题。船体构件的稳定性检验，船体板折减系数的概念及计体构件的稳定性检验，船体板折减系数的概念及计算，刚性构件和柔性构件的概念，总纵弯曲应力的算，刚性构件和柔性构件的概念，总纵弯曲应力的第二次及更高次近似计算。第二次及更高次近似计算。Ship Strength and Structural Design 2.2 船体构件的稳定性检验Ship Strength and Structural Design船体构件的工作特征船体构件的工作特征船体构件的工作特征船体构件的工作特征 2.2 2.2 船体构件的稳定性检验和总纵弯曲应力的船体构件的稳定性检验和总纵弯曲应力的第第二次近似计算二次近似计算船体构件的工作特征船体构件的工作特征早在十八世纪中叶，欧拉在早在十八世纪中叶，欧拉在“横摇和纵摇时船横摇和纵摇时船舶各部分承受的外力舶各部分承受的外力”一文中研究了作用于船一文中研究了作用于船舶各部分的外力，并指出船舶弯曲是这些力引舶各部分的外力，并指出船舶弯曲是这些力引起的主要变形。就是说船体应该作为一根梁来起的主要变形。就是说船体应该作为一根梁来研究它的弯曲变形。但是应用梁理论来研究船研究它的弯曲变形。但是应用梁理论来研究船体总纵强度的具体计算方法，经过了大约一百体总纵强度的具体计算方法，经过了大约一百年后，到十九世纪中叶才逐步发展起来，成为年后，到十九世纪中叶才逐步发展起来，成为船体静置在波浪上的总纵强度计算的标准方法。船体静置在波浪上的总纵强度计算的标准方法。这种标准总纵强度的计算方法就是现在应用的这种标准总纵强度的计算方法就是现在应用的总纵弯曲应力的第一次近似计算方法。总纵弯曲应力的第一次近似计算方法。Ship Strength and Structural DShip Strength and Structural Design船体构件的工作特征船体构件的工作特征船体构件的工作特征船体构件的工作特征 2.2 2.2 船体构件的稳定性检验和总纵弯曲应力的船体构件的稳定性检验和总纵弯曲应力的第第二次近似计算二次近似计算许多实船试验表明，船体结构中的总纵弯曲应力的许多实船试验表明，船体结构中的总纵弯曲应力的分布与梁的弯曲理论基本是一致的。这说明用梁的分布与梁的弯曲理论基本是一致的。这说明用梁的弯曲理论计算船体结构中的总纵弯曲应力是可行的。弯曲理论计算船体结构中的总纵弯曲应力是可行的。但随着船舶尺寸和航速的增大，人们逐渐认识到梁但随着船舶尺寸和航速的增大，人们逐渐认识到梁的弯曲理论还不能充分反映船体是薄壁空心梁结构的弯曲理论还不能充分反映船体是薄壁空心梁结构的特点。船舶航行中的结构损坏经验和实船强度试的特点。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构件并不是都能完全有效时，参加抵抗总纵弯曲的构件并不是都能完全有效的工作，特别是有些柔性构件（主要是板材），在的工作，特别是有些柔性构件（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，使得与柔性构件相连接的刚性构力分布发生变化，使得与柔性构件相连接的刚性构件（主要是骨架）中的应力大大提高，有可能导致件（主要是骨架）中的应力大大提高，有可能导致结构的破坏。结构的破坏。Ship Strength and Structural DShip Strength and Structural Design船体构件的工作特征船体构件的工作特征船体构件的工作特征船体构件的工作特征 2.2 2.2 船体构件的稳定性检验和总纵弯曲应力的船体构件的稳定性检验和总纵弯曲应力的第第二次近似计算二次近似计算1874 年年10月内河船月内河船“Mary”号在横渡大西洋时号在横渡大西洋时折断沉没。折断沉没。1877 年威廉年威廉约翰对这条船进行了约翰对这条船进行了强度计算和分析。按照通常的方法计算，该船强度计算和分析。按照通常的方法计算，该船甲板舷边处的最大应力是甲板舷边处的最大应力是 138.4N/mm2，船底，船底板是板是 101.5 N/mm2。然而当时的一些大船，也。然而当时的一些大船，也达到了这样的应力范围，那为什么这条船会断达到了这样的应力范围，那为什么这条船会断裂呢？于是他第一次提出了对标准总纵强度的裂呢？于是他第一次提出了对标准总纵强度的计算方法进行修正的想法。计算方法进行修正的想法。Ship Strength and Structural DShip Strength and Structural Design船体构件的工作特征船体构件的工作特征船体构件的工作特征船体构件的工作特征 2.2 2.2 船体构件的稳定性检验和总纵弯曲应力的船体构件的稳定性检验和总纵弯曲应力的第第二次近似计算二次近似计算考虑到甲板板受压后发生皱折，其有效剖面积考虑到甲板板受压后发生皱折，其有效剖面积应该进行折减，这和现在应用的总纵弯曲应力应该进行折减，这和现在应用的总纵弯曲应力的第二次近似计算方法基本上是一致的。经过的第二次近似计算方法基本上是一致的。经过折减后计算所得的甲板舷边处的应力达到折减后计算所得的甲板舷边处的应力达到 246.0 N/mm2，大大超过了第一次计算所得的，大大超过了第一次计算所得的应力。也就是说，考虑了某些纵向构件参加抵应力。也就是说，考虑了某些纵向构件参加抵抗总纵弯曲的有效程度之后，船体上实际受到抗总纵弯曲的有效程度之后，船体上实际受到的应力是很大的，这就是船体折断的真正原因。的应力是很大的，这就是船体折断的真正原因。Ship Strength and Structural DShip Strength and Structural Design船体构件的工作特征船体构件的工作特征船体构件的工作特征船体构件的工作特征 2.2 2.2 船体构件的稳定性检验和总纵弯曲应力的船体构件的稳定性检验和总纵弯曲应力的第第二次近似计算二次近似计算这种考虑甲板受压皱折的有效面积折减方法，这种考虑甲板受压皱折的有效面积折减方法，对船体强度计算是一个很大的发展。船体强度对船体强度计算是一个很大的发展。船体强度的第一次近似计算，把空心薄壁结构的船体作的第一次近似计算，把空心薄壁结构的船体作为船体梁来计算。由于船体是薄壁结构，受压为船体梁来计算。由于船体是薄壁结构，受压板材可能会发生皱折，使得剖面强度减弱，剖板材可能会发生皱折，使得剖面强度减弱，剖面减弱又将使压应力增加，以致折减更多的面面减弱又将使压应力增加，以致折减更多的面积，所以需要进行第二次及更多次的近似的强积，所以需要进行第二次及更多次的近似的强度计算。度计算。Ship Strength and Structural DShip Strength and Structural Design船体构件的工作特征船体构件的工作特征船体构件的工作特征船体构件的工作特征 2.2 2.2 船体构件的稳定性检验和总纵弯曲应力的船体构件的稳定性检验和总纵弯曲应力的第第二次近似计算二次近似计算布勃诺夫在威廉布勃诺夫在威廉约翰的基础上，进一步完善了约翰的基础上，进一步完善了总纵强度的第二次近似计算方法，也就成为现总纵强度的第二次近似计算方法，也就成为现在所应用的标准方法。他不仅考虑了板因受压在所应用的标准方法。他不仅考虑了板因受压皱折的影响，还考虑了有初挠度及同时承受横皱折的影响，还考虑了有初挠度及同时承受横向载荷作用的影响。不仅适用于纵骨架式船体向载荷作用的影响。不仅适用于纵骨架式船体的强度计算，也适用于横骨架式船体的强度计的强度计算，也适用于横骨架式船体的强度计算。算。Ship Strength and Structural DShip Strength and Structural Design船体构件的工作特征船体构件的工作特征船体构件的工作特征船体构件的工作特征 2.2 2.2 船体构件的稳定性检验和总纵弯曲应力的船体构件的稳定性检验和总纵弯曲应力的第第二次近似计算二次近似计算总之，按照第一次近似计算总纵弯曲应力校核总之，按照第一次近似计算总纵弯曲应力校核船体强度存在的问题之一，在于将所有参加抵船体强度存在的问题之一，在于将所有参加抵抗总纵弯曲的构件都看成是能完全有效的工作，抗总纵弯曲的构件都看成是能完全有效的工作，不能如实反映船体构件的工作效能，因而也就不能如实反映船体构件的工作效能，因而也就不能确切的评估船体的强度。其次，在第一次不能确切的评估船体的强度。其次，在第一次近似计算中，只考虑了船体的总纵弯曲，忽略近似计算中，只考虑了船体的总纵弯曲，忽略了船体所处的复杂受力状态。了船体所处的复杂受力状态。反映船体结构的工作特征，即结构的稳定性和反映船体结构的工作特征，即结构的稳定性和构件的多重作用是船体总纵强度计算中必须考构件的多重作用是船体总纵强度计算中必须考虑的两个主要问题。虑的两个主要问题。Ship Strength and Structural DShip Strength and Structural Design构件的稳定性检验构件的稳定性检验构件的稳定性检验构件的稳定性检验 2.2 2.2 船体构件的稳定性检验和总纵弯曲应力的船体构件的稳定性检验和总纵弯曲应力的第第二次近似计算二次近似计算构件的稳定性检验构件的稳定性检验构件的稳定性检验构件的稳定性检验船体构件在总纵弯曲压应力作用下可能丧失其船体构件在总纵弯曲压应力作用下可能丧失其稳定性。为了稳定性。为了对失稳构件进行折减对失稳构件进行折减，必须确定，必须确定所有板、纵向骨材以及板架的临界应力所有板、纵向骨材以及板架的临界应力 。在确定板的临界应力时，通常不考虑材料不服在确定板的临界应力时，通常不考虑材料不服从虎克定律对稳定性的影响从虎克定律对稳定性的影响，如果按照相应的，如果按照相应的理论公式确定的临界应力超过材料的屈服应力理论公式确定的临界应力超过材料的屈服应力 ，则在计算中取，则在计算中取 。但。但对纵向骨材和板架，对纵向骨材和板架，则必须考虑材料不服从虎克定律对稳定性的影则必须考虑材料不服从虎克定律对稳定性的影响响。Ship Strength and Structural DShip Strength and Structural Design构件的稳定性检验构件的稳定性检验构件的稳定性检验构件的稳定性检验 2.2 2.2 船体构件的稳定性检验和总纵弯曲应力的船体构件的稳定性检验和总纵弯曲应力的第第二次近似计算二次近似计算（1）板的稳定性计算板的稳定性计算 通常在计算船体板的稳定性时，认为板自由支通常在计算船体板的稳定性时，认为板自由支持在由相应骨材所形成的支撑周界上。在计算持在由相应骨材所形成的支撑周界上。在计算中，忽略了骨材的抗扭影响，因此产生了一些中，忽略了骨材的抗扭影响，因此产生了一些通常不大且偏于安全的误差通常不大且偏于安全的误差。一般情况下，板。一般情况下，板的稳定性计算中不考虑材料的非线性修正，因的稳定性计算中不考虑材料的非线性修正，因此其欧拉应力此其欧拉应力 和和 是一致的。下面列出确是一致的。下面列出确定钢板临界应力的计算公式。定钢板临界应力的计算公式。Ship Strength and Structural DShip Strength and Structural Design构件的稳定性检验构件的稳定性检验构件的稳定性检验构件的稳定性检验 2.2 2.2 船体构件的稳定性检验和总纵弯曲应力的船体构件的稳定性检验和总纵弯曲应力的第第二次近似计算二次近似计算横骨架式横骨架式甲板板甲板板对于甲板板，对于甲板板，板的四边可作为自由支持板的四边可作为自由支持来处理，来处理，如图所示。如图所示。Ship Strength and Structural DShip Strength and Structural Design构件的稳定性检验构件的稳定性检验构件的稳定性检验构件的稳定性检验 2.2 2.2 船体构件的稳定性检验和总纵弯曲应力的船体构件的稳定性检验和总纵弯曲应力的第第二次近似计算二次近似计算甲板板的临界应力按下述公式计算：甲板板的临界应力按下述公式计算：式中式中 ：板厚；：板厚；：横梁间距；：横梁间距；：甲板纵桁间距。：甲板纵桁间距。Ship Strength and Structural DShip Strength and Structural Design构件的稳定性检验构件的稳定性检验构件的稳定性检验构件的稳定性检验 2.2 2.2 船体构件的稳定性检验和总纵弯曲应力的船体构件的稳定性检验和总纵弯曲应力的第第二次近似计算二次近似计算横骨架式横骨架式船底板和内底板船底板和内底板对于船底板（外底板）和内底板，对于船底板（外底板）和内底板，板的纵边可板的纵边可作为自由支持作为自由支持来处理，但来处理，但板的横边板的横边由于实肋板由于实肋板的刚性较大，应的刚性较大，应作为弹性固定作为弹性固定来处理，它对板来处理，它对板的临界应力影响较大。如图所示。的临界应力影响较大。如图所示。Ship Strength and Structural DShip Strength and Structural Design构件的稳定性检验构件的稳定性检验构件的稳定性检验构件的稳定性检验 2.2 2.2 船体构件的稳定性检验和总纵弯曲应力的船体构件的稳定性检验和总纵弯曲应力的第第二次近似计算二次近似计算船底板和内底板的临界应力可按下述船底板和内底板的临界应力可按下述公式计算：公式计算：式中式中 ：板厚；：板厚；：肋距；：肋距；：底纵桁间距；：底纵桁间距；：考虑实肋板对板边固定程度的影响系数：考虑实肋板对板边固定程度的影响系数：当每个肋位都装实肋板时当每个肋位都装实肋板时 ，当每隔，当每隔1个肋个肋位装实肋板时位装实肋板时 ，当每隔，当每隔2个肋位装实肋板个肋位装实肋板时时 。Ship Strength and Structural DShip Strength and Structural Design构件的稳定性检验构件的稳定性检验构件的稳定性检验构件的稳定性检验 2.2 2.2 船体构件的稳定性检验和总纵弯曲应力的船体构件的稳定性检验和总纵弯曲应力的第第二次近似计算二次近似计算横骨架式横骨架式舷顶列板舷顶列板舷顶列板的厚度通常较舷侧外板大很多，把它作舷顶列板的厚度通常较舷侧外板大很多，把它作为为三边自由支持三边自由支持、第四边完全自由第四边完全自由的板来处理，的板来处理，如图所示。如图所示。Ship Strength and Structural DShip Strength and Structural Design构件的稳定性检验构件的稳定性检验构件的稳定性检验构件的稳定性检验 2.2 2.2 船体构件的稳定性检验和总纵弯曲应力的船体构件的稳定性检验和总纵弯曲应力的第第二次近似计算二次近似计算舷顶列板的临界应力按下述公式计算：舷顶列板的临界应力按下述公式计算：式中式中 ：板厚；：板厚；：肋距；：肋距；：舷顶列板的宽度。：舷顶列板的宽度。若若甲板边板甲板边板的厚度大大超过邻近甲板板的厚度，的厚度大大超过邻近甲板板的厚度，则上式也可用来确定甲板边板的临界应力。则上式也可用来确定甲板边板的临界应力。Ship Strength and Structural DShip Strength and Structural Design构件的稳定性检验构件的稳定性检验构件的稳定性检验构件的稳定性检验 2.2 2.2 船体构件的稳定性检验和总纵弯曲应力的船体构件的稳定性检验和总纵弯曲应力的第第二次近似计算二次近似计算横骨架式横骨架式舷侧外板舷侧外板对于舷侧外板，对于舷侧外板，板的四边可作为自由支持板的四边可作为自由支持来处理。来处理。当板周界的短边与长边之比远小于当板周界的短边与长边之比远小于1时，舷侧外板时，舷侧外板的临界应力按下述公式计算：的临界应力按下述公式计算：式中式中 ：板厚；：板厚；：肋距。：肋距。Ship Strength and Structural DShip Strength and Structural Design构件的稳定性检验构件的稳定性检验构件的稳定性检验构件的稳定性检验 2.2 2.2 船体构件的稳定性检验和总纵弯曲应力的船体构件的稳定性检验和总纵弯曲应力的第第二次近似计算二次近似计算纵骨架式纵骨架式纵骨架式的纵骨架式的甲板板、船底板等甲板板、船底板等，按，按四边自由支持四边自由支持的矩形板来处理，如图所示。的矩形板来处理，如图所示。当板周界的长边与短边之比大于当板周界的长边与短边之比大于3时，甲板板、船时，甲板板、船底板等的临界应力按下述公式计算：底板等的临界应力按下述公式计算：式中式中 ：板厚；：板厚；：纵骨间距。：纵骨间距。Ship Strength and Structural DShip Strength and Structural Design构件的稳定性检验构件的稳定性检验构件的稳定性检验构件的稳定性检验 2.2 2.2 船体构件的稳定性检验和总纵弯曲应力的船体构件的稳定性检验和总纵弯曲应力的第第二次近似计算二次近似计算组合梁面板与腹板组合梁面板与腹板对于甲板纵桁、舷侧纵桁、龙骨、底纵桁及其它对于甲板纵桁、舷侧纵桁、龙骨、底纵桁及其它纵向构件的纵向构件的自由翼板自由翼板，把它作为，把它作为三边自由支持、三边自由支持、第四边完全自由第四边完全自由的均匀受压的矩形板来处理，如的均匀受压的矩形板来处理，如图所示。图所示。Ship Strength and Structural DShip Strength and Structural Design构件的稳定性检验构件的稳定性检验构件的稳定性检验构件的稳定性检验 2.2 2.2 船体构件的稳定性检验和总纵弯曲应力的船体构件的稳定性检验和总纵弯曲应力的第第二次近似计算二次近似计算当板周界的长边与短边之比大于当板周界的长边与短边之比大于3时，自由翼板的时，自由翼板的临界应力按下述公式计算：临界应力按下述公式计算：式中式中 ：板厚；：板厚；：自由翼板的半宽（翼板对称于腹板的梁）或：自由翼板的半宽（翼板对称于腹板的梁）或自由翼板宽度（自由翼板设在腹板一侧的梁）。自由翼板宽度（自由翼板设在腹板一侧的梁）。Ship Strength and Structural DShip Strength and Structural Design构件的稳定性检验构件的稳定性检验构件的稳定性检验构件的稳定性检验 2.2 2.2 船体构件的稳定性检验和总纵弯曲应力的船体构件的稳定性检验和总纵弯曲应力的第第二次近似计算二次近似计算组合梁面板与腹板组合梁面板与腹板对于甲板纵桁、舷侧纵桁、龙骨、底纵桁及其它对于甲板纵桁、舷侧纵桁、龙骨、底纵桁及其它纵向构件的纵向构件的腹板腹板，把它作为沿腹板高度承受线性，把它作为沿腹板高度承受线性分布压应力（亦可近似当作均匀压压力）的分布压应力（亦可近似当作均匀压压力）的四边四边自由支持自由支持的矩形板来处理，如图所示。的矩形板来处理，如图所示。Ship Strength and Structural DShip Strength and Structural Design构件的稳定性检验构件的稳定性检验构件的稳定性检验构件的稳定性检验 2.2 2.2 船体构件的稳定性检验和总纵弯曲应力的船体构件的稳定性检验和总纵弯曲应力的第第二次近似计算二次近似计算舷侧外板的剪切稳定性舷侧外板的剪切稳定性舷侧外板还承受总纵弯曲剪力的作用，所以还应舷侧外板还承受总纵弯曲剪力的作用，所以还应检验其剪切稳定性。舷侧外板的剪切稳定性一般检验其剪切稳定性。舷侧外板的剪切稳定性一般按纯剪条件下的按纯剪条件下的四边自由支持四边自由支持的矩形板来处理，的矩形板来处理，如图所示。如图所示。Ship Strength and Structural DShip Strength and Structural Design构件的稳定性检验构件的稳定性检验构件的稳定性检验构件的稳定性检验 2.2 2.2 船体构件的稳定性检验和总纵弯曲应力的船体构件的稳定性检验和总纵弯曲应力的第第二次近似计算二次近似计算当板周界的长边与短边之比大于当板周界的长边与短边之比大于5时，舷侧外板时，舷侧外板的临界剪切应力按下述公式计算：的临界剪切应力按下述公式计算：式中式中 ：板厚；：板厚；：纵骨间距。：纵骨间距。Ship Strength and Structural DShip Strength and Structural Design构件的稳定性检验构件的稳定性检验构件的稳定性检验构件的稳定性检验 2.2 2.2 船体构件的稳定性检验和总纵弯曲应力的船体构件的稳定性检验和总纵弯曲应力的第第二次近似计算二次近似计算（2）纵骨的稳定性计算纵骨的稳定性计算 在检验纵骨的稳定性时，把它看作是在检验纵骨的稳定性时，把它看作是两端自由支两端自由支持持在相应的横向构件（强横梁、强肋骨、肋板等）在相应的横向构件（强横梁、强肋骨、肋板等）上的单跨梁，如图所示。上的单跨梁，如图所示。纵骨的欧拉应力按下式计算：纵骨的欧拉应力按下式计算：Ship Strength and Structural DShip Strength and Structural Design构件的稳定性检验构件的稳定性检验构件的稳定性检验构件的稳定性检验 2.2 2.2 船体构件的稳定性检验和总纵弯曲应力的船体构件的稳定性检验和总纵弯曲应力的第第二次近似计算二次近似计算式中式中 ：包括带板包括带板的纵骨剖面惯性矩；的纵骨剖面惯性矩；：横向构件的间距（纵骨的跨距）；：横向构件的间距（纵骨的跨距）；：不包括带板的纵骨剖面积（纵骨本身的剖面积）：不包括带板的纵骨剖面积（纵骨本身的剖面积）；：纵骨的带板宽度；：纵骨的带板宽度；：带板厚度；：带板厚度；：材料的弹性模量。：材料的弹性模量。Ship Strength and Structural DShip Strength and Structural Design构件的稳定性检验构件的稳定性检验构件的稳定性检验构件的稳定性检验 2.2 2.2 船体构件的稳定性检验和总纵弯曲应力的船体构件的稳定性检验和总纵弯曲应力的第第二次近似计算二次近似计算计算纵骨的稳定性时，计算纵骨的稳定性时，当其带板受到的压应力大当其带板受到的压应力大于临界应力时需要折减于临界应力时需要折减。此时，带板的宽度由下。此时，带板的宽度由下式确定式确定 式中式中 ：纵骨间距；：纵骨间距；：折减系数，：折减系数，值不大于值不大于1；：板的临界应力；：板的临界应力；：作用在板上的压应力。：作用在板上的压应力。Ship Strength and Structural DShip Strength and Structural Design构件的稳定性检验构件的稳定性检验构件的稳定性检验构件的稳定性检验 2.2 2.2 船体构件的稳定性检验和总纵弯曲应力的船体构件的稳定性检验和总纵弯曲应力的第第二次近似计算二次近似计算如果求得的纵骨的欧拉应力如果求得的纵骨的欧拉应力 超过材料的比例极超过材料的比例极限，则必须对欧拉应力进行修正，以限，则必须对欧拉应力进行修正，以考虑材料不考虑材料不服从虎克定律对稳定性的影响服从虎克定律对稳定性的影响。通常按下式确定。通常按下式确定纵骨的临界应力纵骨的临界应力 ：式中式中 ：纵骨的临界应力；：纵骨的临界应力；：材料的屈服应力。：材料的屈服应力。Ship Strength and Structural DShip Strength and Structural Design构件的稳定性检验构件的稳定性检验构件的稳定性检验构件的稳定性检验 2.2 2.2 船体构件的稳定性检验和总纵弯曲应力的船体构件的稳定性检验和总纵弯曲应力的第第二次近似计算二次近似计算（3）甲板板架的稳定性计算甲板板架的稳定性计算对于具有甲板纵桁的甲板板架，可利用下述方法对于具有甲板纵桁的甲板板架，可利用下述方法进行甲板板架的稳定性计算。首先，将甲板纵桁进行甲板板架的稳定性计算。首先，将甲板纵桁看作为两端自由支持在横舱壁上、中间受到横梁看作为两端自由支持在横舱壁上、中间受到横梁形成的弹性支座的受压杆，确定甲板纵桁的临界形成的弹性支座的受压杆，确定甲板纵桁的临界应力应力 。然后计算舷侧至纵桁或纵桁之间的甲板。然后计算舷侧至纵桁或纵桁之间的甲板板架的临界应力板架的临界应力 。最后，如果。最后，如果 ，则板，则板架的稳定性用舷侧至纵桁或纵桁之间的那一部分架的稳定性用舷侧至纵桁或纵桁之间的那一部分甲板板架的稳定性来表征；如果甲板板架的稳定性来表征；如果 ，则板，则板架的稳定性用纵桁的稳定性来表征。目前，甲板架的稳定性用纵桁的稳定性来表征。目前，甲板板架的稳定性计算多采用有限元法。板架的稳定性计算多采用有限元法。Ship Strength and Structural DShip Strength and Structural Design船体板折减系数的计算船体板折减系数的计算船体板折减系数的计算船体板折减系数的计算 2.2 2.2 船体构件的稳定性检验和总纵弯曲应力的船体构件的稳定性检验和总纵弯曲应力的第第二次近似计算二次近似计算船体板折减系数的计算船体板折减系数的计算（1）剖面折减的概念）剖面折减的概念 当船体总纵弯曲时，当船体总纵弯曲时，纵向骨材是不允许丧失稳定纵向骨材是不允许丧失稳定性的，因此在船体构件中只需考虑丧失稳定性后性的，因此在船体构件中只需考虑丧失稳定性后的板的剖面折减的板的剖面折减。第一次近似计算求出总纵弯曲。第一次近似计算求出总纵弯曲应力之后，对所有的柔性构件，都应该将它们的应力之后，对所有的柔性构件，都应该将它们的临界应力与总纵弯曲的压应力进行比较，如果压临界应力与总纵弯曲的压应力进行比较，如果压应力超过临界应力，则应该对这些构件进行折减应力超过临界应力，则应该对这些构件进行折减计算。计算。Ship Strength and Structural DShip Strength and Structural Design船体板折减系数的计算船体板折减系数的计算船体板折减系数的计算船体板折减系数的计算 2.2 2.2 船体构件的稳定性检验和总纵弯曲应力的船体构件的稳定性检验和总纵弯曲应力的第第二次近似计算二次近似计算当板受到的压应力超过其临界应力时，板开始失当板受到的压应力超过其临界应力时，板开始失稳，在同一水平高度上的应力沿板宽不再保持均稳，在同一水平高度上的应力沿板宽不再保持均匀分布，而是自行重新分布。此时，与纵向骨材匀分布，而是自行重新分布。此时，与纵向骨材相连的那部分板宽内应力较高，板宽的中间部分相连的那部分板宽内应力较高，板宽的中间部分应力较低，如图所示。应力较低，如图所示。Ship Strength and Structural DShip Strength and Structural Design船体板折减系数的计算船体板折减系数的计算船体板折减系数的计算船体板折减系数的计算 2.2 2.2 船体构件的稳定性检验和总纵弯曲应力的船体构件的稳定性检验和总纵弯曲应力的第第二次近似计算二次近似计算说明板不能完全有效地参加抵抗总纵弯曲。此时，说明板不能完全有效地参加抵抗总纵弯曲。此时，为了应用简单梁的公式计算总纵弯曲应力，一般为了应用简单梁的公式计算总纵弯曲应力，一般采用折减系数采用折减系数 把船体剖面中的一部分失稳的板把船体剖面中的一部分失稳的板的剖面积转化为假想的不失稳的刚性构件的剖面的剖面积转化为假想的不失稳的刚性构件的剖面积。积。Ship Strength and Structural DShip Strength and Structural Design船体板折减系数的计算船体板折减系数