船舶强度

' MS M' 船舶在实际装载状态下静水弯矩 S ，根据下列近似公式计算：
2)船舶在实际装载状态下静水弯矩
(5-4) 式中：△o——空船重量，t； m ——空船重量的相当力臂，m：中机船 m = 0.2277 Lbp； 中后机船 m = 0.2353 Lbp； 尾机船 m = 0.2478 Lbp； Pi ——载荷(包括货物、压载、燃油、淡水、粮食等)的重量，t； Xi ——载荷重心距船中距离的绝对值，m； △——船舶在计算状态时的排水量，t； Ｃ——船体浮力的相当力臂系数，可根据船舶在计算状态的方形系数Ｃb 从规范中查 得。如表 5-3；Ｌbp 为船舶垂线间长，m。 公式（5-4）中，9.81（△0· m + ΣPiXi）为船舶的重量力矩；9.81△·Ｃ·Ｌbp 为船 体的浮力矩，该数值可在船舶资料中查取，如表 5-4。 表 5-3 C 值表
图 5-3 船舶的最大剪力与最大弯矩
由于弯矩作用使船舶产生两种变形： 1.中拱（Hogging） ：船体受正弯矩作用，中部上拱，这时船中部浮力大于重力，首、尾
部浮力小于重力，船舶上甲板受拉伸，船底受挤压。如图 5-4a 2.中垂（Sagging） ：船体受负弯矩作用，中部下垂，这时船中部重力大于浮力，首、尾 部重力小于浮力，船舶上甲板受挤压，船底受拉伸。如图 5-4b
第一节
船舶强度基本概念
船舶结构抵抗船体发生极限变形和损坏的能力称为船舶强度（Strength of ships） 。船舶 强度分为总强度（包括纵向强度，横向强度，扭转强度）和局部强度。从船舶积载角度来说， 主要考虑船舶的纵向强度和局部强度问题。 船舶强度是否满足要求， 取决于船体结构尺度的 正确选择和船上载荷分布的合理性。 对于已投入营运的船舶， 只能通过合理的载荷分布来改 善船舶的受力情况。因此，正确地使用船舶，合理地分布载荷，保证船舶积载满足船舶的强 度要求，对保证船舶安全运输和延长船舶的使用寿命都具有重要的现实意义。 一、纵向强度 船体结构抵抗总纵弯曲或破坏的能力称为船体纵向强度（Longitudinal strength） ，纵向 强度主要研究船体在外力作用下抵抗纵向弯曲、剪切和扭转的能力。当船舶正浮时，船舶总 的重力与总浮力大小相等，方向相反，作用在同一条垂直线上，即重力与浮力相平衡。如图 5-1 所示。
舱 名
3
No.1 1938 9.8 1206 121
No.2 5144 25.9 3188 319
No.3 5871 27.5 3385 339
No.4 4368 22.0 2708 271
No.5 2943 14.8 1821 182
合计 20264 100 12308
各舱容积（m ） 各舱百分比（%） 各舱装货重量（t） 调整值（t）
图 5-1 船舶重力与浮力的平衡 但实际上船体纵向各段上的重力与浮力是不一定相平衡的， 这是由于船舶的重力沿船长 分布的情况与浮力沿船长分布的情况不一致所造成。船舶装载情况如图 5-2a 所示。若船体 的各段之间可以自由上下移动，取得新的平衡，就会产生如图 5-2b 的状态，但事实上船体 是一个整体，各段之间有结构上的联系，结果便造成如图 5-2c 所示的变形。
第二节
船舶纵向强度校核及保证措施
一、船舶积载时纵向强度保证措施 为了保证船体纵向强度， 我们应特别注意货物重量沿船首尾方向的正确配置。 因为当货 物的纵向配置变化时，虽然排水量保持不变，弯矩仍可能有很大的变化。为了减少弯矩，在 船舶配积载和装卸货物时应注意下列各点： 1.满足纵向强度条件的经验方法
原则：保证船体每一段的重量与浮力的分布均衡。为维护该原则，各货舱应 按舱容比例分配货物重量， 以保证船体每段的重量与浮力的分布均衡。具体计算 公式如下： V Pi chi Q 调整值 (t ) Vch （5-1）
1)由波浪引起的； 2)由于船舶横摇所引起的； 3)船舶装卸货物时引起的。 作用于船体的扭转力矩中， 波浪引起的扭转力矩最大， 最大扭转力矩一般发生在船中附 近。 四、局部强度 船体各部分结构抵抗局部变形或破坏的能力称为船体局部强度（Local Strength） 。局部 强度是研究船体在载荷重力作用下， 局部构件抵抗弯曲和剪切的能力。 局部强度虽然是局部 性的， 但是有时局部的破坏也会导致全船的破坏， 如因大舱口角隅处的裂缝而导致整个船体 断裂的事故时有发生。因此，船舶驾驶员在配积载时应认真校核船舶的局部强度，计算上甲 板、中间甲板、底舱的局部强度是否符合要求，防止甲板或内底板变形或坍塌等。
图 5-2 沿船长分布的重力与浮力 船体上每一段的重量与浮力的差值就是实际作用在船体上的负荷， 船体正是由于负荷的 作用而产生了剪力（Shearing force）和弯矩（Bending moment） ，如图 5-3 所示，剪力最大 值在距船首和船尾约 1/4 船长附近；而最大的弯矩值则约在船中处。
各舱允许装货重量 的上、下限值（t）
1327 1085
3507 2869
3724 3046
2979 2437
2003 中货物重量沿船舶纵向分布不合理。对杂货船而言，应均衡各舱的 装卸速度，防止在装卸中出现某货舱中货物重量与其它货舱中的货物重量相差过分悬殊。 2)应防止在中途港装卸货物以后，货物重量沿船舶纵向分布不合理。中途港货物批量较 大时，应按舱容比例分配；批量较小时，可间舱配置。切忌将所有中途港货物集中在某一个 舱室内。 3)应综合考虑油、水载荷的分布及船舶总体布置对船体总纵受力及变形的影响，据此最 终确定货物重量沿纵向的分布。如表 5-2 所示。 表 5-2 各种类型船舶纵向强度情况表
船 型 装载状态 满载时 中机船 空载时 满载时 尾机船 空载时 中拱 先中间 先首尾 轻度中拱 中垂或中拱 先中间 先首尾 纵向变形 中拱 配 置 先中间 使 用 先首尾
按具体情况定
二、纵向强度校核和校验 按舱容比向各舱分配货物， 一般只能保证在纵强度方面不致产生超过原设计的应力， 严 格地说这种方法缺乏定性和定量的分析。常见的船舶总纵强度校核方法有： 1.用船中静水弯矩校核 一艘营运中的船舶，其船体甲板中剖面模数及装载情况是已知的。当船舶积载时，可以 先根据一定的船体中剖面模数， 确定船体允许承受的最大静水弯矩， 作为校核船体纵向强度 的衡准。然后，根据船舶具体装载状态，求出船舶在该航次实际装载时作用于船体的静水弯 矩。将两者进行比较,以确定纵向强度是否满足要求。 1)船舶允许承受的最大静水弯矩 MS 根据我国 1989 年《钢质海船入级与建造规范》对船舶甲板中剖面模数的要求，可以导 出船长等于或大于 90 m 的船舶允许承受的最大静水弯矩的计算公式： MS = Wd [σc ]×10-3 - MW (kN·m) (5-2) 式中：Ｗd ——按静水弯矩和波浪弯矩计算的甲板中剖面模数，cm3； [σc ]——合成许用应力，取[σc] = 155 Mpa； MW ——波浪弯矩，规范规定可用下式计算： MW = 9.81F L2bp×B（Cb + 0.7）×10-2 （kN·m） (5-3) 式中：Ｆ ——系数，Ｆ＝9.4 - 0.95 [（300 - Lbp）/100]3/2； Lbp ——船舶垂线间长，m； Ｂ ——船宽，m； Cb ——船舶在夏季载重线下的方形系数，但不得小于 0.6。在静水力曲线图上，根 据夏季满载时的平均吃水，可查得船舶的方形系数。 在船厂提供的“船舶纵向强度计算书”中都提供了本船甲板的中剖面模数 Wd 的数据资 料。对营运的旧船，甲板因腐蚀变薄，强度有所降低，在使用上述的剖面模数时，需要扣除 其一定的腐蚀量。 显然， 通过测定及计算可以准确地决定船体纵向构件在扣除腐蚀量后的中剖面模数， 但 这种方法非常繁杂，对驾驶员不适用。根据有关的实测资料，可以近似认为甲板剖面模数每 年平均扣除腐蚀量约为 0.4 % ～0.6 %。一般认为：使用年限小于 5 年的船舶可取下限值； 使用年限在 10 年以上的船舶可取上限值。
第五章 船舶强度
船舶主要由船体、动力设备和航行设备组成，船体由板材和骨架构成。在船舶营运过程 中，船体承受着船舶重力、浮力、波浪及其他不同外力的作用，船体各层甲板也承受着货物 重力和各种惯性力的作用。 为了保证船舶安全运输， 保证船体在各种力的作用下不致产生较 大的变形和损坏，船舶结构必须具有足够的强度。
Cb 0.59 0.60 0.61 0.62 0.63 0.64 0.65 0.66 0.67 C 0.1696 0.1714 0.1731 0.1748 0.1766 0.1783 0.1800 0.1818 0.1836 浮力矩 9.81△·C·Lbp （KN·m） 1364659 1623869 1934414 2252288 2570848 2902799 3239017 3570359
式中： Pi ——第 i 舱应分配的货物重量，t； Vchi ——为某舱的舱容，m3； ∑Vch ——为全船货舱总容积，m3； Q ——为航次货物总重量，t。 船舶各舱装货数量除应满足纵强度的要求外， 还应满足吃水差和舱内某些货物因性质互 抵不能同舱装载的要求等。因此，按上述求得的各舱分配货物的吨数允许作少量的调整，调 整值可取夏季满载时该舱装货重量的±10%， 也可取本航次全船载货重量按舱容比例在该舱 的分配值的±10%。前者调整范围较宽，便于操作；后者调整范围较小，较为安全。在考虑 调整值后， 各舱容允许装货重量就有一个上限值和一个下限值。 若各舱实际的装货数量在各 舱允许上、下限值的范围内，一般来说能够满足船舶纵向强度的要求。 例 5-1：某轮全船货舱总容积∑Vch =20264m3，夏季满载时全船载货量 Q =12308t，根据 按舱容比分配货物的原则，各舱分配货物如表 5-1。 表 5-1 各舱货物分配表
图 5-4 船舶中拱变形与中垂变形 船舶由于积载引起的弯矩，可称为静水弯矩。船舶在静水中，尽管装载比较均衡也可能 产生中拱或中垂的变形，但其数值较小，为一般船舶强度所允许。但若船舶首、尾舱柜载重 较多而中部舱柜载重较少，则会产生较大的中拱变形；反之，会产生较大的中垂变形。如图 5-4 所示。对一般船舶来说，这种情况是不允许的。因为这种装载对船体结构有影响，轻者 会使某些结构部位受到过大应力而降低船舶使用寿命， 重者会发生船体变形以致断裂的严重 后果。 上述情况是船舶在静水中发生的。当船舶处在波浪中时，如波长接近于船长，对船体最 为不利。特别是船中位于波峰或波谷时，且船舶各货舱中装载不均匀时，在波浪中航行的船 舶中拱或中垂将加剧，弯曲变形现象将更为严重，甚至威胁船舶安全。在船舶积载工作中， 应防止较大的中拱或中垂的产生。 二、横向强度 船体结构抵抗横向变形或破坏的能力称为船体横向强度（Transverse Strength） 。船体在 外力的作用下，除了发生总纵弯曲外，还有船宽方向的变形，这是由于水对船壳的压力以及 在甲板、船底的内底板上装货的结果。 一般船舶都具有坚固的横向框架来支持船壳板、 甲板等， 一般船舶的横向构件尺寸与纵 向构件相比要大得多， 因而横向强度一般是足够的， 船舶很少因为横向强度不足而发生横向 结构断裂的情况。但是，如集装箱船由于舱口宽大，无中间甲板，上甲板边板又很狭窄，给 横向强度、 扭转强度也带来了问题， 为此集装箱船均设置强固的横向框架结构甚至采用双层 船壳等来保证船舶的横向强度。 三、扭转强度 船体结构抵抗扭转变形或破坏的能力称为船体扭转强度（Torsion Strength）。对于普通 船体，一般都具有充分的抵御扭转变形或破坏的能力，故对其可不予考虑，但对甲板大开口 的船（如集装箱船、固体散货船），则应在配载时予以足够的重视。如果在装货时，由于某 舱配载不好，使船向一侧横倾，若简单地在其他货舱内向另一侧增加重量，企图以此来校正 船舶横倾，这样便会使船舶产生扭转变形。所以，在装货时要注意保持沿船长方向在中纵剖 面左、右的重量的对称性。产生船舶扭转变形的主要原因有以下三个方面：