船舶强度讲座(杨永谦)

设计技术大规模更新
按规范设计 与计算机技术相结合: “直接设计方法”
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船体结构设计方法一直在改进
船体结构初步设计
结构有限元分析 用NASTRAN 作结构分析
强度评估 － 屈服准则 － 屈曲准则 － 疲劳准则 结构加强的建议 － 板厚 － 面板尺寸 － 纵梁布置
Advanced Design Method
/
波谱
波浪载荷的长期预报
结构分析 应力传递函数 应力的短期预报 波谱
结构分析 应力的时间历程 频率分析 波浪统计 操纵
超越概率Q
结构分析 各载荷分量的应力 应力合成 结构分析 各载荷分量的应力 应力合成 长期应力分布 安全因子 基于载荷和抗力因子方法的强度评估
波浪统计
操纵
应力长期预报
应力长期预报 所有设计变量的概率分布
三大主体系列船型之一 —— 原油船
三大主体系列船型之一 —— 集装箱船
6690TEU (1998, IHI)
L=299.9m, W=42.8m, D=19.5m, T=14m
种类繁多的单体排水型船舶 —— 半冷半压式液化气船

（ 江 南 厂 四 二 OO 立 方 米 ）
种类繁多的单体排水型船舶 ——液化石油气船（LPG）
美 国 隐 身 舰 ZUMWALT DD21
美国“海狼”(SSN-21)核潜艇
水下8060t, 潜深610m, L/B=8.3 , 航速 35kn 总声级 122dB(低速)～130dB(航速20kn)
携八 50 个 枚 鱼鱼 雷雷 管 或 导 弹

660mm M-48
美国 VIRGINIA (NSSN-774)核潜艇

( )
浮力型高速船
——多用途高速四体船 SLICE

横 跨 抗 扭 箱 的 布 置 方 式
消 波 船 型 的 前 后 体 布 置 形 式
浮力型高速船

TRITON (
)
( )
二 ○ ○ ○ 年 英 国
世纪之交的多体舰艇
英国三体舰（应用方案）
水动升力型高速船及 水翼船

自 控 双 水 翼 船
种类繁多的单体排水型船舶 —— 球罐型液化天然气船(LNG)
种类繁多的单体排水型船舶 ——薄膜型液化天然气船(LNG)
种类繁多的单体排水型船舶 —— 化学品/成品油船

（ 江 南 厂 一 三 七 OO 吨 ）
我国建造的新船型

45000吨化学品船 (大连造船厂）
种类繁多的单体排水型船舶 —— RORO 船
当代船舶技术的发展
船 舶 的 种 类
常规排水型运输船
散货船、油船、集装箱船
三大主体系列船型。 液化气船(LPG、LNG)、化学品船、 滚装船、自卸船、海洋调查探测船、 浮式储油船、豪华客船……等。
三大主体系列船型之一 —— 散货船

（ 江 南 厂 七 吨 ）
巴 拿 马 型 散 货 船
OOOO
针对液体晃荡的 结构加强建议 － 板厚 － 加强筋尺寸
直接设计法对船舶力学的需求
直接设计法的核心是对外载荷和
结构破坏机理的了解并能作出正确 的预报，这正是船舶力学的范畴。
当代船舶结构力学的主要内容
环境条件 载荷 准静态结构响应(强度、稳定性) 动态响应 极限强度 疲劳与断裂 设计原理与准则 设计方法
排水量 78309 总吨，长 258m
挪 威 太 年阳 月号 日 交 船

2001 8 31

超 大 型 原 油 船
军用船舶技术—导弹驱逐舰

美 国 伯 克 级 导 弹 驱 逐 舰
军用船舶技术—核动力航空母舰
美 国 卡 尔 文 森 号

· (1982)
军用船舶技术—核动力航空母舰
美国 Stennis (CVN-74)号 (1998年服役)

加 州 海 面 ，
高 速 操 纵 性 试 年验
月 日
2001 4 20
军用船舶技术—航空母舰（新方案）
CVN77 — 尼米兹级和CVNX级的过渡 新动力系统、隐身技术
英未来型「FSC」隐身舰
瑞典隐身舰 VISBY CLASS 已在2001年服役，一共建造六艘
世纪之交的隐身水面舰艇

一 万 吨 级 ， 集 成 电 力 推 进 ， 舰 地 导 弹
先进设计方法
－ From Rule Fomula 从用规范公式 (规范设计) (Design by Rule) to Direct Calculation 发展为直接计算 (Design by Analysis) (分析设计) － Improved 改进之处： Buckling Damage 使加筋板更薄， － Decreased 屈曲破坏减少了。 even though thinner stiffened panel
船级社规范
设计载荷 － 对强度 － 对屈曲 － 对疲劳
动载荷分析 －船舶运动 －船舶加速度 －水动力压力 舱内液体运动 分析 (晃荡载荷)
Fatigue Damage 由于各种焊接结构 － Not decreased yet 的多样性 主要构件尺度的更改 due to complicated 和复杂性， phenomena under 疲劳破坏未减少。 结构最终设计 various welded structure



三.总纵弯曲外力计算 1.计算工况及重量分布 工况 装载状况 总重量(t) 重心距舯(m) No. 1 满载出港（4+1） 6080.07 -0.5995 No. 2 满载到港（4+1） 6007.17 -0.4744 No. 3 满载出港（平均） 6079.93 -0.9063 No. 4 满载到港（平均） 6007.03 -0.7849 No. 5 首1/4装载（4+1） 2510.17 12.0065 No. 6 首1/4卸载（4+1） 2437.27 12.6919 No. 7 首2/3装载（4+1） 4491.59 8.1502 No. 8 首2/3卸载（4+1） 4418.69 8.4646 No. 9 尾1/4装载（4+1） 2510.46 -15.0250 No.10 尾1/4卸载（4+1） 2437.56 -15.1482 No.11 尾2/3装载（4+1） 4494.38 -9.7575 No.12 尾2/3卸载（4+1） 4421.48 -9.7385 No.13 首1/4装载（平均） 3205.47 6.7303 No.14 首1/4卸载（平均） 3132.57 7.1408 No.15 首2/3装载（平均） 4803.52 5.5856 No.16 首2/3卸载（平均） 4730.62 5.8397 No.17 尾1/4装载（平均） 3205.91 -10.2825 No.18 尾1/4卸载（平均） 3133.01 -10.2680 No.19 尾2/3装载（平均） 4803.97 -7.8847 No.20 尾2/3卸载（平均） 4731.07 -7.8381
7300t，L=114.9m，L/B=11，V=28kn 耐压壳外12个巡航导弹垂直发射筒 8具533mm鱼雷/反舰导弹发射管(26枚)
潜艇隐身技术现状

美 国 新 概 念 隐 身 潜 器
高速单体船(排水/水翼)——汽车渡船
比利时 F. G. Lorca 号，200车/800客，38kn，2001年

结构构件的选择 操纵 分析的条件 载荷条件 波浪统计 波谱
载 ︽荷 直强 接度 分分 析析 方相 法结 ︾合 的
（半经验法） 简化公式计算 载荷 规则波中船舶运动 和波浪载荷分析 波浪载荷传递函数 波浪载荷的短期预报 波浪统计 操纵
（可靠性方法） 规则波中船舶运动和 波浪载荷分析 非规则波中船舶运动 和波浪载荷分析

总纵强度计算书





一. 概况 用途 : 装载集装箱 主尺度及主要参数 计算工况数.....................................LL= 20 航行工况数.....................................Ls= 4 计算船长.......................................Lc= 102.10 m 两柱间长.......................................Lp= 102.10 m 型宽...........................................B1= 17.20 m 型深...........................................Dm= 5.20 m 设计吃水.......................................d = 4.00 m 方形系数.......................................Cb= 0.860 水线面系数.....................................Cw= 0.935 货舱口宽度.....................................b = 12.700 m 货舱口长度.....................................Lh= 75.60 m 舱壁间距.......................................Lbh 75.60 m 本船不设置舱口盖 甲板大开口尺度比 b / B1 = 0.738 Lh / Lbh =1.000 船舶主尺度比 L / D = 19.635 B / D = 3.308
水动升力型高速船 及水翼型复合船
有义波 高 6m 航速 45kn 附加波 浪阻力 系数 仅0.2

21世纪高速水翼型复合船
XTW-4 地效翼船 (1999)
——我国的海上试验与实用艇
空气动力型高速船
——掠海地效翼船 俄“雌鹞”型导弹攻击艇 (400吨级 )
船舶结构设计的发展－ 直接设计法
(1) 环境与载荷
在设计阶段“合理”地预估在波浪上的船
舶承受的载荷 ━━ 船舶设ຫໍສະໝຸດ Baidu的基础
舰船更须在汹涌海浪中航行
合理地描述环境、评估载荷悠关重要。
(2) 结构强度
主要研究范围：在已知载荷下的强度分析 及结构的极限承载能力 1) 强度分析 ：
有限元分析方法：结构有限元分析模型与分 析技术广泛的应用。 载荷/强度分析相结合的“直接分析方法”
浮力型高速单体船 ——超细长体高速单体船

日本住友重 工1993年
技术方案
卵形水下剖 面 载货1000t 航速50kn 推进动力 — 超导电机

浮力型高速单体与多体船
——小水线面双体船SWATH

KAIMALINO 号
1973 年 ， 世 界 上 第 一 艘
浮力型高速船
—— 小水线面双体船 SWATH
NAVETECH—I ( )
美 国
浮力型高速船
——小水线面双体船SWATH

TAGOS —
浮力型高速船
—— 我国第一艘 SWATH (220吨)

海 关 监 管 艇 (
二 ○ ○ ○ 年
)
浮力型高速船
——斜支柱小水线面双体船 560t
隐 身 美试 国 验 一艇 九“ 九 三海 年幽 灵 ” 号
我国建造的新船型

12300吨 Ro-Ro 船 (大连造船厂）
种类繁多的单体排水型船舶 —— 汽车滚装船

我国建造的新船型
江 南 厂 （ 二 四 吨 ）
OOO
种类繁多的单体排水型船舶 —— 汽车专用船
种类繁多的单体排水型船舶 —— 木材专用船
种类繁多的单体排水型船舶 —— 矿炭两用船
种类繁多的单体排水型船舶 —— 重型机械装载船
种类繁多的单体排水型船舶 —— 甲板载重船
种类繁多的单体排水型船舶 —— 浮式储油船

江 南 厂 （ 六 八 五 吨 ）
OO
种类繁多的单体排水型船舶 ——多用途海洋工作船（VS468)

大 连 造 船 厂
） （
我 国 建 造 的 新 船 型
种类繁多的单体排水型船舶 —— 豪华旅游船
种类繁多的单体排水型船舶 —— 豪华旅游船
破坏概率
目标可靠性
基于可靠性方法的强度评估
(2) 结构强度
2) 极限承载能力评定
预测在超负荷（包括事故载荷）作用下， 船体结构及其部件因屈曲 ( 失稳 ) 、屈服和 大变形引起的延性塌垮状况。
(3) 疲劳与断裂

世界上主要船级社都给出了 船舶结构疲劳评估的规则与指南。
总
结
船舶结构设计的发展是直接设计法，

二.计算依据
[1] 提供的图纸资料(图号:总布置图CGY480-100-03,线型 图CGY480-100-04，基本结构图 CGY480-110-03，横剖面图 CGY480-110-04，重量分布资料) [2] 中国船级社:《内河船舶计算软件》(Compass) [3] 中国船级社:《钢质内河船舶建造规范》（2009）
直接设计法对造船工作者提出了更高的要求。
CCS规范内河船强度计算示例

渝申300箱集散两用标准船弯曲强 度与扭转强度计算
中 国 船 级 社 钢质内河船舶建造规范 (2009)




适用于航行于内河水域船长大于或等于20m 和小于或等于140m的焊接结构钢质民用船舶。 总纵弯曲强度校核 下面以大开口集装箱船为例说明总纵弯曲强 度与扭转强度计算内容与衡准 渝申300箱集散两用标准船 长江A级
船舶结构设计与强度 计算
杨永谦
2008年10月
目
1.当代船舶技术的发展
录
2.船舶结构设计的发展-直接设计法 3.CCS规范内河船强度计算示例 4.CCS规范海船强度计算示例 5.共同规范对无限航区海船强度计算要求 6.散货船共同规范计算示例 7.船舶波浪载荷预报
注：5.,6.和7.见另外的.PPT文件