船舶结构与强度设计 第6章.ppt

第五章第五章 船舶结构设计船舶结构设计第1节 结构设计特点1.船体结构设计任务 在船舶总体设计完成之后，进行结构设计 已知船舶主尺度、船体型线、船舶建筑型式、甲板层数、内底分布、舱壁位置和舱室用途等在这个基础上结构设计的任务是： 选择结构材料，决定船体结构型式、构件尺寸和连接方法 成功的设计是，在保证结构具有必须的强度和刚性的情况下，使结构便于建造和重量最轻2.一般结构设计程序① 根据船舶自身重量、装载货物、航线海况确定外载荷； ② 选择材料，钢、或其它材料；如果是钢，是普通强度钢还是高强度钢； ③ 考虑强度、经济性、建造工艺（实际也是经济性）确定构件尺寸； ④ 校核结构强度； ⑤ 修改构件尺寸，直到满足强度等各方面要求为止 第2节 船体结构型式 对于大型船舶对于大型船舶上甲板和船底是船体梁的上下翼板，是主要纵向强力构件应使更多材料发挥抵抗总弯曲作用，保证其稳定性，应布置成纵骨架式纵骨架式下甲板和船侧对总纵弯曲的作用不大，主要承受横载荷，通常布置成横骨横骨架架式式，既可以保证局部强度，又不致占据过大的舱容 对于中小型船对于中小型船舶舶• 上甲板在以下情况宜于采用横骨架式： ① 当船长小于90～100m时； ② 当上甲板经常要载运货物，这时如采用纵骨架式，为了保证承受横载荷而增高横梁，影响舱容。

• 船底在以下情形宜采用横骨架式： ① 船底板架长度与宽度之比＞1.7时， ② 当船长小于80～100 m，L/D＜12时，船底外板厚度不是由强度条件来决定，而是取决于锈蚀磨耗的要求时； ③ 当船的中垂弯矩远大于中拱弯矩： M中垂/M中拱＞1.5时； ④ 船底易搁浅或者舱内用抓斗起货而舱底又无护板时 第3节 依据规范设计船体结构1.规范设计概述规范设计概述（1）特点 民船的结构尺寸主要是根据船级社“规范”来决定的按照“规范”对结构布置、钢材性质和构件尺寸的规定作为设计准则，只要知道了船舶主尺度和结构布置，就可以从“规范”中查得构件尺寸有的情况下，还需要通过有限元法分析，校核船体结构强度、疲劳和振动等性能 对于常规船型，规范为确定构件尺寸提供简单公式这些公式以累计经验为基础，计算简单，船级社审查也简单（2）规范结构设计的安全性 结构满足规范要求，则认为结构是“安全”的，虽然不是绝对安全，但不安全的风险能够得到各方（船东、货主、保险公司）接受 为了确保船舶安全，各船级社都制定自己的规范，为船舶设计和检验提供依据。

目前国际船级社协会（IASC）协调各船级社规范，对大型油船和散货船还颁布“共同结构规范”，使安全标准趋于统一2.规范设计过程（1）选择钢材 船体结构材料以钢为主•按强度选择钢材 普通强度钢普通强度钢—屈服极限等于235N／mm2 高高 强强 度度 钢钢—屈服极限大于265N／mm2• 按韧性级别选择钢材 当船长小于90m时，一般使用A／AH钢级 当船长大于等于90m时，各强力构件钢级应不低于规范表1.3.2.2的规定(2)骨架系统选择骨架系统选择• 规范有明确规定，骨架形式必须符合规范要求 如双壳油船货油舱区域甲板和船底骨架应为纵骨架式•规范没有明确要求，设计者可以根据结构力学概念、使用和建造经验确定 如小型船舶的全船采用横骨架式更便于建造，干货船舷侧结构选横骨架式可增加货舱有效容积和便于清舱作业3）构件布置）构件布置 构件布置是指，确定次要构件和主要构件安放位置和间距例如，已定甲板骨架为纵骨架式后，下一步要确定纵骨间距和强横梁间距 骨材间距对结构重量即材料消耗和建造工艺有着很重要的影响纵骨间距小，纵骨本身尺寸小，板也可薄一些，但骨材数量要增加。

同样，甲板强横梁间距不仅决定强横梁尺寸，也影响纵骨的设计（（4）） 船体设计中结构划分和设计顺序船体设计中结构划分和设计顺序① 结构划分 规范对不同部位结构设计要求有所不同，规范设计将大致整个船体结构划分成四个部分：货舱、机舱、上层建筑和端部船首和船尾属于端部② 设计顺序• 规范设计构件尺寸，往往从货舱设计开始，然后分别设计机舱、上层建筑、端部以及其他结构• 所有构件设计完毕，计算总强度如果总强度不满足，还需调整部分构件尺寸，以满足总强度要求• 总强度不满足要求，增大甲板构件最有效2.计算构件尺寸（1）板的设计 板设计就是确定板的厚度板厚度与骨材间距有关 如，船纵骨架式甲板厚度要求： t=0.06s(L1+110)Fd1/2 mm 纵骨架式船底板的厚度要求： t=0.43s(L+230)Fb1/2 mm 其中：s—纵骨间距，单位m； L1—船长，单位m 规范公式计算单位必须符合规范要求 ② 板厚规格化——向标准规格靠近 按规范计算出的板厚度可能不符合标准，为此应将计算板厚规格化。

计算板厚度的小数部分Δt处理： 可以不计， Δt≤0.25mm 进为0.5mm,或1.0mm, 0.25mm＜Δt＜0.75mm 进为1.0mm, 0.75mm ＜Δt如设计甲板： t = 0.06×0.72 (105+110) 11/2 = 9.29 mm实取板厚9.5mm或10mm（2）次要构件设计 次要构件：纵骨和肋骨等①次要构件一般取轧制型材如果轧制型材满足不了要求，可采用组合T型材②次要构件设计就是要确定骨材的规格 规范通过剖面模数对骨材尺寸提出要求 骨材剖面模数与骨材间距和跨度有关，跨度是指主要支撑构件的间距 如规范要求甲板纵骨剖面模数不小于： W = c1shl2其中s是纵骨间距，l是甲板强横梁间距③ 带板 骨材与所支持的钢板焊接在一起，骨材与带板共同抵抗弯曲作用，规范要求的骨材剖面模数是骨材加带板的剖面模数骨材计算剖面实际是组合剖面 规范规定：次要构件的带板宽度取为一个骨材间距 规范要求的是骨材加带板的剖面模数骨材加带板的剖面模数，而且是最小最小剖面模数剖面模数，即对骨材翼缘上缘的剖面模数。

④ 根据剖面模数选择骨材规格• 查表方法 s=0.65m，剖面模数 138 cm3查表选 16a 球扁钢实际W=147 cm3•试算法 根据已知带板选配不同规格型材，直到满足要求为止 轧制型材包括有效带板的剖面模数计算公式：（3）主要构件设计 ①甲板强横梁、甲板纵桁、强肋骨和舷侧纵桁等成为主要构件 这类骨材负荷重、要求剖面模数大，往往采用组合T型材 ② 主要构件要求 规范对主要构件要求也是剖面模数 计算T型材剖面模数也要包括带板，带板宽度按规范要求计算 如，安装在平板上带板面积： A =10 f b t cm2③ T型材剖面设计 T型材剖面设计： 确定材腹板厚度和高度、面板厚度和宽度 同样满足剖面模数要求的T型剖面有多种方案，这里存在着剖面优化问题法国规范建议的方法 (a) 若给定带板面积Sa、要求剖面模数W 和指定腹板厚度e时，确定腹板高度（cm）： 这时T 型材面板横剖面积（cm2）： 其中 (b) 若给定带板面积Sa、剖面模数W、腹板厚度e和高度d 时，面板横剖面积（cm2）： (c) 根据面板横剖面积，可确定面板尺寸。

通常先指定面板厚度t，再确定宽度b 上述公式计算的腹版和面板尺寸往往还需要结合规范其他要求和实船经验加以修改 如腹板高度应考虑穿越口的影响、腹板高度与厚度之间的合理比例 校核所设计的T型材包括带板的剖面模数 计算所设计的T 型材包括带板的剖面模数设计剖面模数可以列表计算，也可按中国规范公式计算其中dw—腹板高，mm a—面板面积，cm2 A—带板面积, cm2 fs—腹板面积, cm2（4）总纵强度计算船长大于65m的船舶还需要校核总纵强度1）船体梁弯曲强度• 静水弯矩和波浪弯矩• 中剖面模数——甲板处剖面模数和船底处模数 如果总纵强度不满足要求，则要修改设计应优先增加甲板构件尺寸2）船体梁剪切强度 应校核中和轴附近舷侧和纵舱壁板的剪切强度3）屈曲强度校核 船长大于90m的船舶，应校核受船体梁弯曲和剪切作用的板格和纵向构件的屈曲强度（稳定性）（（5 5）船体结构强度直接计算和疲劳评估）船体结构强度直接计算和疲劳评估 对于大型船舶货舱区域的主要构件，规范要求采用有限元方法进行强度直接计算和疲劳评估。