船體強度與結構設計

天津大學建筑工程學院船舶工程系

第三章船體結構局部強度計算局部強度：指局部結構抵抗局部載荷而不破壞的能力。局部載荷：倉室貨物、甲板上浪、設備重量及設備運轉載荷，舷外水壓力等。局部結構：甲板板架、船底板架、肋骨框架、倉壁結構、板格、縱骨、橫梁等。本章介紹船舶局部強度計算的有關內容:(1))建立模型;(2)載荷計算;(3)簡化計算方法;(4)有限單元法問題。3.1局部強度計算的力學模型力學模型：反映結構的實際受力特點和變形特征而又便于計算的簡化的結構系統，稱為力學模型或計算模型。3.1.1建立力學模型的原則

（1）計算方法手工計算：則模型應該簡化較大；計算機求解：則可取復雜的計算模型（2）結構的重要性破壞后果嚴重的船舶，直接或間接損失大的船舶，則應考慮較復雜的計算模型；（3）設計階段方案設計階段：技術資料不全，則模型可取簡單；在詳細設計階段，應該取復雜的計算模型，盡量反映結構的實際。3.1.2力學模型尺寸的確定1、板架模型尺寸：縱向取橫倉壁之間的距離，寬度方向取兩舷肋骨中和軸

與橫向構件中和軸的交點。

圖、橫向框架確定2、肋骨框架尺寸模型尺寸的起始位置：取肋板中和軸與肋骨中和軸的交點，甲板取肋骨中和軸與橫梁中和軸的交點。3.1.3結構邊界約束條件

1、常見支座形式的表示方法（1）自由支持支座：（2）剛性固定：（3）彈性支座：（4）彈性固定支座：（5）滑動支座：2、局部結構支座的確定（1）縱骨邊界條件圖、船底縱骨強度計算模型邊界條件：單跨縱骨兩端剛性固定。甲板縱骨穩定性計算邊界約束：圖、甲板縱骨變形及約束條件邊界條件:穩定性分析時兩端自由支持。

（2）舷側肋骨上下約束條件圖、舷側肋骨變形及約束條件

兩端簡支梁,端部2施加單位力矩時,引起的端部2轉角為:抗轉剛度為無甲板載荷，無載荷跨簡化為受載荷結構的約束。甲板橫梁給肋骨提供彈性抗轉約束,抗轉剛度系數為抗轉剛度為：（3）多跨梁：無載荷跨轉化為受載跨的約束

單位長度的慣性矩,稱為線剛度。線剛度圖、多跨梁簡化圖（4）板架邊界條件多跨梁：無載荷跨轉化為受載跨的約束1）倉壁處：一般為剛性固定

2）舷側：自由支持（5）板架構件之間的相互支持關系：交叉構件與主向梁，I，i假定交叉構件（長構件）支持主向梁，單位面積載荷為q。k點的位移為RRkk交叉構件lL主向梁短梁中點k:

短梁支持載荷長梁中點k：長梁支持載荷：則支反力R為：長梁支持短梁短梁支持長梁當長梁支持短梁的最大支持力：因為支持關系由決定，調整比值，可以改變支持關系。相互支持條件為

交叉構件的計算模型為：3.1.4結構模型化的處理（1）利用對稱性（2）等效剛度的利用3.1.5載荷模型

1、載荷的確定原則（1）確定載荷的大小及性質：動力、靜力、常規、偶然作用（2）載荷作用在哪些構件上（3）載荷的組合橫梁縱桁

2、不同結構部位的載荷：（1）甲板載荷：甲板貨物、甲板上浪（2）倉內載荷：載貨和船底水壓力組合（3）舷側水壓力：吃水加上半波高d-吃水，hB-波高。3、結構構件的幾何抗彎特性計算：帶板寬度帶板帶板CCS關于帶板面積規定：縱骨：l：構件跨度，b:縱骨間距；肋板：構件跨度，b為肋距。3.3.2甲板結構強度計算

載荷確定：規范中規定的計算壓頭縱桁帶板寬度：

p設計載荷，不小于8.5kPa甲板構件計算。對于露天甲板，橫梁剖面模數W按照下式計算B船舶型寬；s橫梁間距；h計算壓頭；l橫梁跨度

。1、具有艙口的甲板板架強度計算橫倉壁艙口縱桁力學模型艙口端梁力學模型：1）縱桁處剛性固定：載荷對稱，結構對稱，轉角為零；2）舷側位移為零，轉角不為零。3）承受載荷為來自縱桁的反力R。艙口縱桁力學模型：1）橫艙壁處剛性固定2）艙口強橫梁自由支持縱桁3）承受均布載荷圖、倉口甲板結構倉口區強橫梁艙口短縱桁倉口縱桁艙口縱桁載荷：縱桁支撐寬度：（中縱剖面有半艙壁時）艙口區強橫梁計算模型：強橫梁剖面，肋骨也為強肋骨，互相約束轉角。故強橫梁舷側為彈性固定約束，縱桁對其提供自由自持。圖、強橫梁計算模型3.4結構強度有限元計算3.4.1計算原理3.4.2有限元計算奇異性處理剛度矩陣的奇異性：指有限元計算時，由于單元的處理不當或者邊界約束處理不合理，使結構總體剛度矩陣行列式的值為零，從而導致結構位移趨于無限大,引起計算失敗。1、外部奇異性處理：排除剛體位移圖、矩形框接結構奇異性的解決方案問題施加外部約束施加內部約束圖、共面節點2、內部奇異性處理：局部奇異性處理共面節點：當數個桿件在平面內一點相交時，稱為共面節點。共面節點法向如果沒有剛度貢獻，則引起剛度矩陣的奇異性。A為共面節點B節點法向沒有剛度貢獻3.5實際工程算例以沿海多用途甲板駁船為例介紹。1、甲板板架強度計算（1）計算方案甲板載荷：5噸/每平方米甲板駁船圖、結構坐標系（2）計算步驟

1）結構離散及載荷處理圖、甲板板架計算模型及結