船体扭转强度
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
船体强度与结构设计
天津大学建筑工程学院船舶工程系
第四章 船体扭转强度计算
4.1 船体扭转强度计算的必要性 1、船舶大开口引起船舶抗扭刚度减小
甲板开口船舶如下图所示：
甲板面积严重损失，开口宽度b与船舶宽度B比值可达到80%。
开口和闭口的自由扭转惯性矩按下式计算
开口惯性矩：
J n
1 3
n i 1
ti3hi
L
0 cdx W GM sin C
L 0
kdx
d 2 dt 2
L
idx I
0
d 2 dt 2
K
I
K d 2
dt 2
FD C C d 2
横摇扭矩产生的原因：船舶横摇 角时，浮力作用产生复原力矩c和惯性
倾斜力矩k在单位长度上是不相等的，其差值 (k 起c)单位长度的扭矩。
（4）距离尾端x处剖面上的扭矩计算公式
x
图、横摇扭矩
T (x)
x k c dx
0
x d 2
0
i
dt 2
c dx
d 2 x
x
T (x) dt 2
T (x)
（6）每个站的扭矩为
d 2
dt 2
x
idx
0
T (x) T (x) C(x)
角加速度转动方向与船舶横摇角度方向相反。
c ve
尾端扭矩=0
首端扭矩为：
T( L )
L
L
kdx cdx
0
0
船舶在静水中横摇运动的方程为
I
d 2 dt 2
W
GM
sin
0
GM：为初稳性高，M：为横稳心；G：重心；I：全船横摇转动惯量。
3 ）计算扭转剪应力 计算模型：船体梁模型，按照总强度第一次总弯曲应力的计算方法，将
船体简化为梁模型，计算剖面的抗扭特性。
4.2 作用在船体上的扭转外力
作用在船体上的扭转外力包括扭矩和水平作用力。引起扭矩的原因在于 重量或者浮力分布关于中纵剖面不对称。假定船舶的重量分布关于中纵剖面 对称，则静水中不会发生扭转。
V : 前体排水量。
单位长度扭矩的计算：考虑单位船长，重力作用线通过中纵剖面，但是浮 力的作用线离开中纵剖面为距离e,如下图
图4-2. 单位长度浮力作用线偏离中纵剖面
单位长度的扭矩为 c v e t.m / m
e v ：单位长度船舶浮力作用线到中纵剖面的距离； ：单位长度的浮力 c ：单位长度的扭矩。
idx cdx
0
0
计算步骤如下：
T
(x)
d 2
dt 2
x
x
idx cdx
0
0
（1）计算单位长度质量惯性矩 i
(2)计算船舶倾斜 角后的复原力矩
(3)计算每个站的质量惯性矩
x
I (x) 0 idx
（4）计算每个站的复原力矩
x
C(x) 0 cdx
（5）计算每个站的倾斜力矩:乘以角加速度即得
x 尾端点为自由端，扭矩等于零。则距离尾端点 位置，扭矩为
x
x
T (x) cdx cdx (v e)dx
首端点扭矩为零，即
0
0
L
T 0 cdx 0
船舶的扭矩曲线和分布扭矩曲线为：
10
20
0
图4-3. 波浪扭矩曲线的和分布扭矩曲线
扭矩曲线的斜率等于分布扭矩曲线： c dT dx
2、大开口船舶水平力引起的扭矩 由于扭转中心离开重心G较远，扭转中心在横剖面结构的下方，水平力：
两舷压力差引起水平扭矩，如下图4-4
图4-4. 吃水不对称引起的压力差
h e i 微段上压力差的合力作用中心； i ：作用中心线到扭转中心的距离。
水平力引起的单位长度的扭矩为： ch,i hi ei
单位长度的总 扭矩为垂向力单位长度扭矩和水平力单位长度扭矩叠加，即
单位长度扭矩=c ch vi ei hi ei
：横摇加速度引起的单位长度的倾斜力矩
i mr2da A d 2 k i dt2
单位长度整个剖面质量对于扭转轴的质量惯性矩。
（3）船舶倾斜角时，浮力作用产生的复原力矩
c :船舶倾斜后的复原力矩：c v e
e : 单位长度上浮力作用线到重力作用线的距离。
v :船舶单位长度的排水量。
图.船舶倾斜力矩
闭口惯性矩：
J n
4 A2 ds
ct
开口后，扭转惯性矩显著降低。因此大开口船舶容易出现扭转刚度不足发生 扭转变形破坏。
2、提高扭转刚度的结构措施
3、船体扭转强度计算的方法与步骤 1）确定扭矩产生的原因，计算扭矩； 2）根据横剖面结构的布置，确定扭转刚度严重消弱的剖面，计算该剖面
的船体抗扭惯性矩；
4.2.1船舶斜浪航行引起的扭转力矩 计算假定：不考虑波浪的动效应，计算结果为静波浪扭矩。
前体
后体
图 4-1. 船舶斜浪航行受力图
波长与船长之间关系为： L cos
1、垂向力引起的扭矩
前体浮心距离中纵剖面为e,排水量为V；后体浮心距离中纵剖面为e。 在船中的扭矩为:
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
剖面处，产生的扭矩为: T中 V e
4.2.2船舶倾斜产生的扭矩(货物引起的扭矩) 船舶倾斜由于装载不对称引起，船舶在航行过程中，由于风浪作用船
舶发生剧烈运动，货物移动，导致装载不对称引起船舶出现倾角，船舶在有 静倾角的状态保持平衡状态：
全船重量=排水量，全船横倾力矩=全船复原力矩 产生扭矩的原因：虽然总体上船舶满足平衡状态，但是单位长度上倾斜 力矩与复原力矩不相等，其存在差额，该差额引起扭矩。
曲线2
x
I (x) idx 0
L
I 0 idx FB
3）给定船舶横摇角，计算浮力引起的复原力矩c：
曲线3
ci vi ei
4）积分得当每个站段的浮力引起的复原力矩：
曲线4：
x
C(x) 0 cdx
L
C(20) cdx FD 0
5）转动惯量曲线2扩大
d 2
d 2t
，得到惯性力矩曲线
在曲线的右端，船首部： K C T (L) 0
全船倾斜力矩：
L 0
k
dx
d 2 dt 2
L
idx
0
I
d 2 dt 2
K
L
全船复原力矩：
cdx W GM sin C
0
全船转动平衡条件，得：
T( L) 0
即横摇扭矩曲线端部为零。
（5）横摇扭矩曲线的计算和绘制
1）计算单位长度剖面的惯性矩
L
i mr 2da A
曲线1
2）积分得当每个站段的转动惯量得曲线2：
4.2.3船舶横摇引起的扭矩
船舶在波浪上横摇时，横摇加速度引起惯性力，产生扭矩。
mr( d )2 dt
mr( d )2
dt
图4-5. 横摇运动产生的惯性力：离心力和切向力
扭转轴：通过全船重心的纵轴。
（1）离心力对于扭转轴的回转力矩=0
（2）切向惯性力对于扭转轴的倾斜力矩
k
mr 2
A
ddt22 da
天津大学建筑工程学院船舶工程系
第四章 船体扭转强度计算
4.1 船体扭转强度计算的必要性 1、船舶大开口引起船舶抗扭刚度减小
甲板开口船舶如下图所示：
甲板面积严重损失，开口宽度b与船舶宽度B比值可达到80%。
开口和闭口的自由扭转惯性矩按下式计算
开口惯性矩：
J n
1 3
n i 1
ti3hi
L
0 cdx W GM sin C
L 0
kdx
d 2 dt 2
L
idx I
0
d 2 dt 2
K
I
K d 2
dt 2
FD C C d 2
横摇扭矩产生的原因：船舶横摇 角时，浮力作用产生复原力矩c和惯性
倾斜力矩k在单位长度上是不相等的，其差值 (k 起c)单位长度的扭矩。
（4）距离尾端x处剖面上的扭矩计算公式
x
图、横摇扭矩
T (x)
x k c dx
0
x d 2
0
i
dt 2
c dx
d 2 x
x
T (x) dt 2
T (x)
（6）每个站的扭矩为
d 2
dt 2
x
idx
0
T (x) T (x) C(x)
角加速度转动方向与船舶横摇角度方向相反。
c ve
尾端扭矩=0
首端扭矩为：
T( L )
L
L
kdx cdx
0
0
船舶在静水中横摇运动的方程为
I
d 2 dt 2
W
GM
sin
0
GM：为初稳性高，M：为横稳心；G：重心；I：全船横摇转动惯量。
3 ）计算扭转剪应力 计算模型：船体梁模型，按照总强度第一次总弯曲应力的计算方法，将
船体简化为梁模型，计算剖面的抗扭特性。
4.2 作用在船体上的扭转外力
作用在船体上的扭转外力包括扭矩和水平作用力。引起扭矩的原因在于 重量或者浮力分布关于中纵剖面不对称。假定船舶的重量分布关于中纵剖面 对称，则静水中不会发生扭转。
V : 前体排水量。
单位长度扭矩的计算：考虑单位船长，重力作用线通过中纵剖面，但是浮 力的作用线离开中纵剖面为距离e,如下图
图4-2. 单位长度浮力作用线偏离中纵剖面
单位长度的扭矩为 c v e t.m / m
e v ：单位长度船舶浮力作用线到中纵剖面的距离； ：单位长度的浮力 c ：单位长度的扭矩。
idx cdx
0
0
计算步骤如下：
T
(x)
d 2
dt 2
x
x
idx cdx
0
0
（1）计算单位长度质量惯性矩 i
(2)计算船舶倾斜 角后的复原力矩
(3)计算每个站的质量惯性矩
x
I (x) 0 idx
（4）计算每个站的复原力矩
x
C(x) 0 cdx
（5）计算每个站的倾斜力矩:乘以角加速度即得
x 尾端点为自由端，扭矩等于零。则距离尾端点 位置，扭矩为
x
x
T (x) cdx cdx (v e)dx
首端点扭矩为零，即
0
0
L
T 0 cdx 0
船舶的扭矩曲线和分布扭矩曲线为：
10
20
0
图4-3. 波浪扭矩曲线的和分布扭矩曲线
扭矩曲线的斜率等于分布扭矩曲线： c dT dx
2、大开口船舶水平力引起的扭矩 由于扭转中心离开重心G较远，扭转中心在横剖面结构的下方，水平力：
两舷压力差引起水平扭矩，如下图4-4
图4-4. 吃水不对称引起的压力差
h e i 微段上压力差的合力作用中心； i ：作用中心线到扭转中心的距离。
水平力引起的单位长度的扭矩为： ch,i hi ei
单位长度的总 扭矩为垂向力单位长度扭矩和水平力单位长度扭矩叠加，即
单位长度扭矩=c ch vi ei hi ei
：横摇加速度引起的单位长度的倾斜力矩
i mr2da A d 2 k i dt2
单位长度整个剖面质量对于扭转轴的质量惯性矩。
（3）船舶倾斜角时，浮力作用产生的复原力矩
c :船舶倾斜后的复原力矩：c v e
e : 单位长度上浮力作用线到重力作用线的距离。
v :船舶单位长度的排水量。
图.船舶倾斜力矩
闭口惯性矩：
J n
4 A2 ds
ct
开口后，扭转惯性矩显著降低。因此大开口船舶容易出现扭转刚度不足发生 扭转变形破坏。
2、提高扭转刚度的结构措施
3、船体扭转强度计算的方法与步骤 1）确定扭矩产生的原因，计算扭矩； 2）根据横剖面结构的布置，确定扭转刚度严重消弱的剖面，计算该剖面
的船体抗扭惯性矩；
4.2.1船舶斜浪航行引起的扭转力矩 计算假定：不考虑波浪的动效应，计算结果为静波浪扭矩。
前体
后体
图 4-1. 船舶斜浪航行受力图
波长与船长之间关系为： L cos
1、垂向力引起的扭矩
前体浮心距离中纵剖面为e,排水量为V；后体浮心距离中纵剖面为e。 在船中的扭矩为:
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
剖面处，产生的扭矩为: T中 V e
4.2.2船舶倾斜产生的扭矩(货物引起的扭矩) 船舶倾斜由于装载不对称引起，船舶在航行过程中，由于风浪作用船
舶发生剧烈运动，货物移动，导致装载不对称引起船舶出现倾角，船舶在有 静倾角的状态保持平衡状态：
全船重量=排水量，全船横倾力矩=全船复原力矩 产生扭矩的原因：虽然总体上船舶满足平衡状态，但是单位长度上倾斜 力矩与复原力矩不相等，其存在差额，该差额引起扭矩。
曲线2
x
I (x) idx 0
L
I 0 idx FB
3）给定船舶横摇角，计算浮力引起的复原力矩c：
曲线3
ci vi ei
4）积分得当每个站段的浮力引起的复原力矩：
曲线4：
x
C(x) 0 cdx
L
C(20) cdx FD 0
5）转动惯量曲线2扩大
d 2
d 2t
，得到惯性力矩曲线
在曲线的右端，船首部： K C T (L) 0
全船倾斜力矩：
L 0
k
dx
d 2 dt 2
L
idx
0
I
d 2 dt 2
K
L
全船复原力矩：
cdx W GM sin C
0
全船转动平衡条件，得：
T( L) 0
即横摇扭矩曲线端部为零。
（5）横摇扭矩曲线的计算和绘制
1）计算单位长度剖面的惯性矩
L
i mr 2da A
曲线1
2）积分得当每个站段的转动惯量得曲线2：
4.2.3船舶横摇引起的扭矩
船舶在波浪上横摇时，横摇加速度引起惯性力，产生扭矩。
mr( d )2 dt
mr( d )2
dt
图4-5. 横摇运动产生的惯性力：离心力和切向力
扭转轴：通过全船重心的纵轴。
（1）离心力对于扭转轴的回转力矩=0
（2）切向惯性力对于扭转轴的倾斜力矩
k
mr 2
A
ddt22 da