船体强度与结构设计

1. 船体梁抵抗总纵弯曲的能力，成为总纵强度（简称纵强度）。

2. 重量的分类：（1）按变动情况来分○1不变重量，即空船重量，包括：船体结构、舾装设备、机电设备等各项固定重量。○2变动重量，即装载重量，包括：货物、燃油、淡水、粮食、旅客、压载等各项可变重量。（2）按分布情况分○1总体性重量，即沿船体梁全场分布的重量，通常包括：主体结构、油漆、索具等各项重量，对于内河大型客船，还包括：纵通的上层建筑及旅客等各项重量。○2局部性重量：即沿船长某一区段分布的重量，通常包括：货物、燃油、淡水、粮食、机电设备、舾装设备等各项重量。3.重量分布原则：对于各项重量按近似的和理想化的分布规律处理时，必须遵循静力等效原则1）保持重量的大小不变，这就是说要使近似分布曲线所围的面积等于该项实际重量2）保持重量重心的纵坐标不变，即要使近似分布曲线所围的面积行心纵坐标与该项重量的重心纵坐标相等3）近似分布的曲线的范围与该项重量的实际分布范围相同或大体相同3.描述浮力沿船长分布状况的曲线称为浮力曲线。4.计算状态：通常是指，在总纵强度计算中为确定最大弯矩所选取的船舶典型装载状态,一般包括满载、压装、空载等和按装载方案可能出现的最不利以及其它正常营运时可能出现的更为不利的装载状态。4.静波浪弯矩与船型、波浪要素以及船舶与波浪的相对位置有关，波浪要素包括波形、波长和波高，目前得到最广泛应用的坦谷波理论，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，波浪轴线上下的剖面积不相等，故谓坦谷波。4.传统的标准计算方法：（1）将船舶置于波浪上，即假想船舶以波速在波浪的船舶方向上航行，船舶与波浪处于相对静止状态。（2）以二维坦谷波作为标准波形，计算波长等于船长（内河船舶斜置于一个波长上），计算波高按有关规范或强度标准选取。（3）取波峰位于船中及波谷位于船中两种状态分别进行计算。

5.船舶由静水进入波浪会上浮还是下沉？船舶由静水进入波浪，其浮态会发生变化，若以静水曲线作为坦谷波的轴线，当船中位于波谷时，由于坦谷波在波轴线上以上的剖面积比在轴线以下的剖面积小，同时船体中部又较两端丰满，所以船在此位置时的浮力要比在静水中下，因为饿不能处于平衡，船舶将下沉ξ值；而当船中在波峰时，一般船舶要上浮一些。另外，由于船体首、尾线型不对称，船舶还将发生纵倾变化。6.确定船舶在波浪上平衡位置的方法：利用静力平衡的条件，即重力等于浮力重心与浮心的纵向位置在同一条铅垂线上，方法一般有逐步近似法和直接法，直接法是由麦卡尔提出的，故称麦卡尔法，该方法是利用邦戎曲线来调整船舶在波浪上的平衡位置6.史密斯修正：按坦谷波理论，波浪中的水质点在铅垂面内作等速运动，从而产生离心力，在波峰，由于水质点收到的离心力与重力方向相反，故相当于水的密度减小，而在波谷处，水质点收到的离心力与重力方向相同，故相当于水的密度值增加，因而导致波峰处的实际压力小于静水压力，而在波谷处则大于静水压力，结果使浮力曲线趋于平缓，这种计及波浪水质点运动所产生的惯性力的影响，即考虑波浪动水压力影响对浮力曲线所作的修正，成为波浪浮力修正，或成为史密斯修正。船体剖面模数：应用简单梁的理论，总纵弯曲应力为σ=MZ/I或者σ=+-M/W式中W=I/\Z\称为船体剖面模数它是表征船体结构抵抗弯曲变形能力的一种几何特性，也是衡量船体总纵强度的一个重要标志。危险剖面（计算剖面）：由总纵弯曲力矩曲线可知，最大弯矩一般在船中0.4倍船长范围内，所以计算剖面一般应是此范围内的最弱剖面-含有最大的舱口或其它开口的剖面，如机舱，货舱开口剖面。纵向强力构件：在船中部0.4-0.5

倍船长区域内连续的纵向构件，如甲板板、外板、内底板、内龙骨、纵垳、纵骨等都是纵向强力构件。船体剖面模数计算的计算过程：1）画出船体计算剖面的半剖面图，对纵向强力构件进行编号2）选取参考轴O’-O’，该轴可选在离基线e=（0.45-0.50）倍型深处，或就在基线处3）最后利用表格计算： 7.船舶在同一计算状态下，静水弯矩和静波浪弯矩的代数和，称为总纵弯矩。8.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。构成船体梁上翼板的最上层连续甲板通常称为强力甲板，有时也称强力甲板处的剖面模数为船体剖面的最小剖面模数。第二次近似计算的原因：第一次近似计算中，将所有纵向强力构件都看成完全有效地参加抵抗总纵弯曲，有时会不能如实地反映船体薄壁板构件的工作效能，因而也就不能确切的评估船体强度，这便是第一次近似计算中存在的问题。9.折减系数:板由于失稳，在同一水平高度上的应力沿板宽不再保持均匀分布，与纵向骨架梁相连的部分板宽内应力较高，板宽的中间部分应力较低，说明船体板不能完全有效的参加抵抗总纵弯曲。此时，仍能运用简单梁的计算公式计算总纵弯曲应力，一般采用折减系数υ把船体剖面中的一部分失稳的板构件剖面积化为假想不失稳的刚性构件剖面积。10.将纵向强力构件分为刚性构件和柔性构件。刚性构件包括：受压不失稳的刚性骨架梁、纰列板及与刚性骨架梁、纰列板等相毗连的每一侧宽度等于该板格短边长度0.25倍的那一部分板。板格的其余部分在受压后可能失稳，称为柔性构件，它只能承受等于其临界应力夫人压应力。11.把纵向构件分为四类：（1）只承受总纵弯曲的纵向强力构件，成为第一类构件，如不计甲板横荷重的上甲板（2）同时承受总纵弯曲和板架弯曲的纵向强力构件，称为第二类构件，如船底纵垳、内底板（3）同时承受总纵弯曲、板架弯曲及纵骨弯曲的纵向强力构件，或者同时承受总纵弯曲、板架弯曲及板的弯曲（横骨架式）的纵向强力构件，称为第三类构件，如纵骨架式中的船底纵骨或者横骨架式中的船底板。（4）同时承受总纵弯曲、板架弯曲、纵骨弯曲及板的弯曲的纵向强力构件，成为第四类构件，如纵骨架式中的船底板

12.许用应力：指在接受设计预计的各种工况下，船体结构构件所容许承受的最大应力值。许用应力通常小于构件破坏时的极限应力值或结构发生危险状态（结构已失去它应起的各种作用中的任何一种时的状态）时材料所对应的极限应力值。

13.安全系数：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。通常决定于以下一系列因素：(1)计算载荷表征实际载荷的精度。（2）在给定载荷下，结构响应分析的精度（3）材料机械性能的稳定程度（4）建造工艺、施工质量对材料强度的影响（5）营运条件及使用年限聚顶的腐馈磨损情况（6）结构破坏所引起的后果14.许用应力标准是根据舰船设计、建造和营运经验，以及积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的15.船体极限弯矩：是指在船体剖面内离中和轴最远点的刚性构件中引起的应力达到结构材料屈服极限(在受拉伸时)或构件的临界应力（在压缩时）的总纵弯曲力矩。16强度储备系数：表明船体结构所具有的承受过载能力的大小，Mj/M》/n 17局部强度：船体在外力作用下初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荷作用而发生变形、失稳或破坏。研究它们的强度问题称为局部强度。18.影响计算模型的因素；

(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，对于结构经历分析，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19构件计算时尺寸

简化：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好的长度去横舱壁之间的距离，宽度取组成肋骨框架梁中和轴的跨距，或简单的取为船宽。肋骨刚架计算时，其长度、宽度取组成肋骨框架梁中和轴线交点间距离，用中和轴线代替实际构件。20.骨架支持形式：（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。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。21.由于实肋板刚性远大于纵骨，可视为纵骨的刚性支座，又变形以肋板为支点左右对称，因此计算船底纵骨强度的时可按两端刚性固定的单跨梁来计算。22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，在对称面的各个节点上加上适当的约束（2）如果结构具有纵、横双重性对称，载荷也对称，则可取1/4结构进行计算（3）当结构对称、载荷步对称时，可将载荷分解为对称与反对称两种情况计算然后迭加。23载荷模型化时考虑的问题：1)确定作用于结构上的载荷工况2）确定计算载荷的性质与载荷类型3）确定载荷大小，并决定施加在哪些构件上4）确定载荷的组合与搭配24带板：船体结构中绝大多数骨架都是焊接在板架上的，当骨架受力发生变形时，与它相连接的板也一起参与骨架抵抗变形。因此，为估算板架的承载能力，也应把一定宽度的板计算在骨架剖面中，即作为它的组成部分来计算骨架的剖面积、惯性矩和剖面模数等几何要素，这部分板成为带板或者附连翼板。25剪切滞后：在腹板正上面的面板部分弯曲应力最大，沿面板宽度曲应力离开腹板逐渐减小 ，这种现象称为剪切滞后。26安装在平板上的主要构件的有效面积为：A=10fbtp，f=0.3（l/b）2/3，但不大于1。中国船舶检验局规定：强骨材带板宽度取其跨度的1/6。27船体板架计算：1）对于横骨架式，主向梁承受肋板间距范围内的荷重，交叉构件只承受节点反力；2）对于纵骨架式，载荷通过纵骨传给实肋板，交叉构件也只承受节点反力；3）对于舱长很短的船底板架，（l/b《0.8》为确定这种板架中行材的弯曲应力，可将中行材当作单跨梁处理。28强力甲板：最上层连续甲板是船体梁的上翼板，它对保证船体总纵强度起重要作用。29舱壁的分类：按其布置方向可分为横舱壁和纵舱壁两种，按其结构型式可分为平面舱壁和皱折舱壁。平面舱壁的强度计算：1）被扶强材支持的舱壁板，由于结构和载荷的对称性变形呈筒形，故舱壁板可按两端固定的板条梁来计算2）29.船体结构主要构件：工字钢次要构件：角钢T型钢。

30.型材剖面设计应符合下列要求：1）具有足够的强度、刚度和稳定性2）应尽可能符合生产与工艺方面的要求，如制造简单、施工质量高3）满足特殊结构与营运使用的要求，例如，为保证货舱容积而对型材剖面高度的限制，因磨损而对最小板厚的要求等4）剖面内材料分布合理，使所得结构质量最轻，这是船体结构工程师的重要目标之一。30.衡量型材剖面内材料分布合理程度的指标有：剖面利用系数和比面积。31.理想剖面：理想剖面没有链接两翼板的腹板。32.W1=1/2ηhf，η称为剖面的利用系数，在f和h相同的情况下，η能表明材料在剖面中分布的合理程度，即越大，所设计的型材剖面越接近于理想剖面，剖面材料的利用率越高。圆的利用率最低，工字钢最高，33.剖面模数比面积Cw=F/W2/3,剖面惯性矩比面积：Ci=F/I1/2 33.为了保证型材有足够的强度，翼板的最大正应力和腹板的最大剪应力小于许用应力M/W1《σ及NS/It《τ34.型材剖面中材料合理分布的问题：1）K值的变化范围不大在3-6之间。2）只要剖面高度h不变，增大翼板的剖面积，剖面模数增加的极为缓慢，可知船体骨架梁带板宽度的变化对梁材最小剖面模式的影响不大。3）增加不对称剖面型材最小剖面模数最有效的

方法就是增加腹板的高度，或者腹板高度不变时，增加小翼板的剖面积。35应用数学规划方法解决结构设计问题将引入如下术语：1）设计变量2）约束条件3）可行域4）目标函数36.船体结构用钢：一般强度船体结构钢和高强度船体结构钢（屈服极限大于256MPa的钢）设计时应首先确定以何种屈服极限的钢材作为船体材料，在一般情况下，这个问题应该由经济合理性决定，并考虑船体重量的减轻。37.钢料选择：对于船长在80-100m以下的小型船舶，构件尺寸往往根据一定的腐蚀、磨损等厚度储备来选择，此时采用高强度钢将达不到减轻船体重量的目的，随着船长和它的排水量的增加，船体主要构件采用屈服极限较高的钢材，并科技减轻结构重量，但是船体主要构件厚度的减薄，要受到保证结构具有一定的稳定性储备的限制，所以对每一类型的船舶来说，采用超过一定屈服极限的钢，其效果是不大的，同时材料的选择还必须与船体骨架式的选择相配合，对横骨架式船，为保证稳定性要求，将不可能减薄板的厚度，所以材料的屈服极限越高，就与有必要采用纵骨架式结构，此外，高强度钢的应用还会受到船体刚性最小要求的限制，例如集装箱船等大开口船。38船体结构型式的选择：纵骨架式结构，因板格的长边沿船长布置，板格的稳定性通常可达到材料的屈服极限，因此它一般应用在对总纵强度要求较高的大型船舶的上甲板和船底结构。下甲板、舷侧及船端结构，一般受总纵弯曲的应力不大，主要是承受横荷重，通常采用横骨架式结构，这样既可保证局部强度，同时施工方便，且不致占据过大的舱容。39.船体结构的计算法设计：是指运用结构分析方法的综合来确定船体横剖面的最优尺寸和所有构件的尺寸，并保证结构在外来载荷作用下具有足够的强度、稳定性，因此就要知道作用在结构上的计算载荷和应采用的强度条件的模式。40.中剖面计算法的基本任务：应包括综合决定纵、横构件布置及其尺寸。利用数学规划的优化方法可解决这个任务，并且我们已经有了实用的计算机程序问世，我们的任务是，依据作用在结构上的载荷，按结构的强度、稳定性及有关建造于使用要求，选择纵向强力构件的合理剖面尺寸及其配置。41.中剖面发计算法的设计要求与目标1）总强度要求2）局部强度及稳定性要求3）制造及工艺上的要求4）使用上的要求5）设计的目标42.相当厚度：是船体厚度与所有纵骨剖面积平铺在其宽度上的假想厚度相加所得。 现将设计问题分为两步完成，首先，计算满足总纵强度要求的结构相当厚度，即解决材料在整个横剖面上的最优配置，然后根据求得的相当厚度，按局部强度与稳定性等要求确定板格及纵骨的尺寸，即解决材料在板与纵骨间的合理分配，这就是通常所说的分级优化的策略思想。43.纵向加筋板的设计：当船底与甲板的相当厚度确定以后，就要设法从相当厚度中分出一部分材料做成加强板的纵骨，即进行板与纵骨间的材料分配，并最终决定纵向加筋板的尺寸，包括：板厚t、纵骨的尺寸及其间距b（或纵骨的根数）43.纵向加紧板设计要求：1）总强度要求2）局部强度要求3）稳定性要求4）构造、工艺及尺寸上的要求43.世界上的船级社：中国船检局（中国船级社）CCS、美国船检局（ABS）英国劳氏船级社（LR）德国劳氏船级社（GL）日本海事协会（NK）法国船级社（BV）挪威船级社（DNV）意大利船级社（RI）俄罗斯海上船舶登记局（RS）44.船级社的职责：船级社按规范监督船舶的建造，并允许船舶正式入级，给他们所登记的船办各种国际协定所要求的证书；此外还对使用中的船舶作定期检查，以确定这些船是否保持在级内。建造规范也为航运、造船、相关的制造业和保险业服务。经过入级登记的船，符合公认的健全的建造标准，这就等于告诉运货人说，他将他的货物交给已经入级的船承运时，他并没有冒险脱离实践的风险；同时，保险公司在被请求给船舶保险时，船的入级有助于保险公司判断

隐含着的危险性质。45.规范法设计的基本步骤：1）首先根据对母性船的调查研究和所设计船的特殊要求，分析所设计船的船体强度要求，选择合适的建造规范

2）根据型线图和总布置图，绘制中剖面图、基本结构图和肋骨型线图等草图，并进行结构构件的初步布置3）按规范计算船体主要构件的尺寸，这时，边计算，边绘图，边完善初始的结构布置方案46.结构布置的一般原则和规定：1）结构的整体性原则：有关构件应布置在同一平面内，以组成封闭的整体框架结构共同承受载荷的作用2）受力的均匀性和有效传递原则：结构构件的布置要尽可能均匀，以避免构件规格太多或是造成材料的浪费，此外结构应保证某一构件受力后，能有效的将力传递到邻近的结构构件上，以避免某一单独的结构构件承受外力。3）结构的连续性和减少应力集中原则：构件的布置应力要求保证其连续性，尽可能避免构件突然中断4）局部加强原则：在设计过程中，对那些在使用中要承受较大局部载荷的结构则进行适当的局部加强5）一些其他的基本规定例如《海船规范》、《河船规范》等。47.船体结构刚分级：我国《海船规范》将一般船体结构刚划分为A、B、D、E等四个钢级。48.规范对外板的一些规定：《海船规范》中对0.4L和离船端0.075L（《河船规范》为0.1L）区域的船体外板（包括船底板、平板龙骨、舟比列板、舷侧外板和舷顶列板），分别按横骨架式和纵骨架式给出了最小板厚计算公式。还规定，外板厚度在中部0.4L区域内保持不变，然后向首尾两端，逐渐递减至船端0.075L（或0.1L）区域的板厚，这正好与船体承受的总纵弯曲力矩沿船长的分布相一致。49对甲板板的一般规定：如今《海船规范》除了规定保证船体纵向强度的中剖面模数要求（对甲板有大开口的船舶，通常由这一要求决定强力甲板的尺寸），还根据甲板的作用规定了它们的最小厚度。50.应力集中应力集中系数：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。51. 应力集中系数：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σmax或τmax分别与所选基准应力σo和τo之比值即k=σmax/σo或k=τmax/τo称为应力集中系数。52舱口角隅开口选择：采用椭圆形或抛物线形，且长轴沿船长方向，进一步改善了过渡方式，这时的应力集中系数比采用圆弧形的应力集中系数低。53.甲板开口降低应力集中的措施：1）采用圆弧形舱口角隅2）财通抛物线或者椭圆形舱口角隅3）舱口边缘的甲板纵垳对降低角隅处的应力集中有一定的作用4）减小开口间的甲板厚度

5）采用一种新型的“弹性角隅“54凡开口尺度相对于船宽来说很小，高应力只在很局部的范围内分布，或者应力集中系数不大，这类开口可以不予加强：1）直径不大于20倍板厚的圆形开口2）椭圆形开口的长轴沿船长方向布置，且开口长宽比不小于2 3）其他形状的开口，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（对于高强度钢）的开口，4）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，在一个横剖面上的开口宽度总和be应符合下式要求：be《0.06（B-Σbi）54.船楼端部减缓应力集中的措施：1）设置端部弧形过渡板2）局部增加主体结构板厚55：甲板室端部减缓应力集中的措施：1）通常其侧壁与端壁的连接应做成圆角，形成带圆角的围壁2）同时，设法降低围壁与甲板连接处的抗剪刚性系数，使连接处的剪应力减少，可在角隅处局部采用铆钉与甲板相连。3）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。