第三章：局部强度

船底板架
对于舱长很短的船底板架（例如，舱长与板架计算 宽度之比小于0.8时），为确定这种板架中桁材的 弯曲应力，可将中桁材当作单跨梁处理。 近年来，有限元方法的应用，使得过去近似计算中 的一些难题得以解决。例如船底板架中构件大小形 状等的不同，间距的不同等。但是在按有限元计算 板架强度时要注意下列事项： 1.构件计算尺寸应按实际外形选取，一般不作任何 假定和简化。
– 纵骨架式的船底板架分析 纵骨架式船底板属于第四类构件，因为作用在板上 的正应力有总纵弯曲正应力，船底板架弯曲正应力， 纵骨之间板格弯曲正应力和外板的弯曲正应力。 一般来说，纵骨架式船强度方面不存在太大问题， 稳定性满足的情况下，强度多数会因为纵骨而得到 满足。
船底板架
– 高强度钢与稳定性 两者就是一对矛盾。 两者就是一对矛盾 高强度：只是就“强度”而言，高强度的意义：提 高许用应力上限，进而减少构件大小。 稳定性：许用应力的上限对临界应力影响不大，甚 至是完全不影响，影响稳定性的主要因素是构件尺 寸。
甲板板架
2.甲板有大开口使得甲板厚度很大的 3.总纵弯矩不大的小船 4.甲板厚度很小，不便分出材料设置甲板纵骨的。 在确定几个主要构件的过程中要注意： 1.甲板纵桁是船体主要纵向构件，也是板架连续部 分的支座，要求在极限弯矩作用下不丧失稳定性。 2.横梁的确定要在进行肋骨框架计算确定甲板板架 在舷侧的固定条件后进行。
计算简图和力学模型
这里需要说明的一点：在简化支座的时候，要注意 简化部位的选取，无载荷的，长度相比差别较大的。 简化后各要素曲线不能有太大变化。
计算简图和力学模型
2）节点的简化 结构计算时，选用节点简图，要考虑节点结构的实 际情况，通常形式为铰节点和刚性节点。 刚架：刚性构件几何不变性体现在线位移和角位移 上都不变，刚性节点传递弯矩和剪力。
船底板架
• 内底板结构分析
内底板要求：计算应力不与总纵弯曲应力合成叠加。 横骨架式内底和外底板一样，计算时考虑缩减。
甲板板架
上甲板是船体等值梁的上翼板，是保证总纵强度的 最重要组成部分之一。下甲板主要承受的是货物重 量，局部强度问题在这一部位尤为重要。 横向载荷是甲板板架局部强度计算的主要载荷，无 论是上甲板还是下甲板。横向载荷的主要来源是堆 积货物和甲板上浪，尤其是甲板上浪而造成的积水， 是一定要考虑的。 货船对露天甲板堆积木材有着规范规定，所有的计 算最后都要转化为水头高度来计算。
– 计算货舱肋骨时，取横梁不承受载荷，下甲板也不 承受载荷，肋骨承受水头等于波面高度，但不大于 船身的载荷。 – 计算上甲板横梁时，取上甲板横梁承受载荷，下甲 板横梁不承受载荷，肋骨承受水头等于波面高度的 载荷。 – 计算下甲板横梁时，所有横梁均承受载荷，肋骨承 受水头等于到波面高度的载荷。 – 为了校核货舱肋骨在静水中的强度，使横梁不承受 载荷，肋骨承受水头等于载重线水头高度的载荷。
概述
• 局部的概念
– 局部强度：指局部结构抵抗局部载荷而不破 坏的能力。 – 局部载荷：仓室货物、甲板上浪、设备重量 及设备运转载荷，舷外水压力等。 – 局部结构：甲板板架、船底板架、肋骨框架、 仓壁结构、板格、纵骨、横梁等。
概述
指明一点：将船体分成各种板架进行结构分 析和设计计算，是带有一定的近似性的。主 要是因为忽略或者简化了彼此的连接和相互 支持，也就是结构分析中的边界条件和节点 约束。所以，板架设计计算一般都会跟上肋 骨框架校核计算来辅助，当然，利用有限元 法进行无拆分计算就更精确了。
计算简图和力学模型
3）结构体系的简化 即使现在是计算机的时代，可以借助有限元方法来 精确计算空间体系结构，但简化力学模型的结构设 计计算在设计初期阶段仍是最有效的方法。力学模 型尽可能的将计算区域控制在平面结构内进行，所 以，将船体按照板架型式来计算。 纵向板架：船底、舷侧、甲板 横向板架：舱壁和肋骨框架 局部强度计算就是将船体分成板架、框架和梁计算
船舶强度与结构设计
陈超核
第三章 船体局部强度分析
本节内容
1 2 3 4
概述
计算简图和力学模型
肋骨框架计算
船底板架
概述
船体的主要结构主要有船底、甲板、舷侧和 舱壁等组成，在外载荷（总载荷和局部载荷） 作用下，船体局部强度计算是把船体分离成 板架、框架、连续梁和板来进行计算的。近 年来的有限元的相对运用可以再不具体拆分 的情况下，对空间构架进行结构计算。
一个关键概念：相对刚度。 一个关键概念：相对刚度。
计算简图和力学模型
– 结构简化
从实际结构得出合理的计算简图，这只是问题的一 个方面；另一方面，在选定计算简图之后，还应采 用适当的结构措施。 1）支座的简化 支座形式：滚动支座、铰支座、固定支座、弹性 /柔性支座。
计算简图和力学模型
当相邻部分刚度相差较大时，可按极限情况处理来 简化。只要两梁的转动刚度相差20倍以上，简化误 差就可控制在5%以内。 一般来说，当支座转动刚度K*大于所支撑杆件转动 刚度K很多时，弹性支座可以或为刚性固定。如 K*/K>20,误差在5%以内；反之支座化为铰支座， 如K*/K<1/20时，误差也在5%以内。
甲板板架
军舰在计算横向载荷时要考虑的方面比较多。由于 干舷比较小，海况情况复杂，故其计算水头高度要 高于普通民船。再加之甲板设备（火炮、弹药等） 以及使用条件下的偶然载荷，如人员的集中，炮口 气浪气压，后坐力，摇摆惯性力。
甲板板架
甲板板架
• 横骨架式甲板板架设计分析
甲板板架承受总纵弯曲和横向载荷的双重作用。在 设计阶段要以最危险的情况考虑。总纵弯曲和横向 载荷两者作用有两种：一种是相互抵消；一种是相 互叠加。后者是最危险的情况。所以设计中要求甲 板板架要有承受两种作用的能力。 对于大开口的甲板板架，自舱口围壁到舷边的甲板 连续部分是承力的主要部分。
肋骨框架计算
肋骨框架校核计算是为了校核横梁及肋骨的局部强 度，并且对整个船体部分的分离计算起保障性作用。
在杆系结构中，通常用所谓的弹性线来代替线梁。
肋骨框架计算
• 肋骨框架的计算简图
首先是对船底纵骨的简化。在物理模型中，船底纵 骨对肋板有弹性支持作用。但是在实际计算中，考 虑这样过于麻烦，因此将其忽略，即认为肋板在舷 侧处为简支，这样的处理方式其结果偏于安全。 其次是对舭部的处理。舭部支持弯矩较大，但是由 于存在大肘板，故强度方面没有问题。强度校核时 肋骨截面取在大肘板的上缘。
船底板架
2.梁单元应根据形式划分，一般将交点处理为节点， 若两节点内单元体变化剧烈，可以加节点以提高精 度。 3.节点约束情况，即边界条件。主要注意的是线位 移和角位移的处理。 舷侧处板架节点处理： 舱壁处板架节点处理： 4.对称性处理：结构或者载荷，当载荷不对称时， 反对称处理。 5.注意载荷形式。
计算简图和力学模型
• 局部强度计算的力学模型
计算简图也称之为力学模型，任何一项实际 应用问题都要有与之相对应的模型来求解。 模型一般可分为物理模型和数学模型。
力学模型：反映结构的实际受力特点 变 受力特点和变 力学模型 受力特点 形特征而又便于计算的简化的结构系统，称 形特征 为力学模型或计算模型。
船底板架
船底是船体等值梁的下缘，受很大的总纵弯曲应力； 此外还承受着机器重量、货物重量、压载水及舷外 水的压力等横向载荷；中高速航行船底的冲击载荷 也要考虑。
船底板架中外板、纵桁和纵骨。板简化为受均布水 压四周刚性固定的板。
船底板架
船底一般都是由多根交叉构件和很多主向梁组成的 板架。对于横骨架式板架，主向梁（实肋板）承受 肋板间距范围内的荷重，交叉构件只承受节点反力； 对于纵骨架式板架，载荷通过纵骨传给实肋板，交 叉构件也只承受节点反力。 多根交叉构件板架的计算可采用船舶结构力学中介 绍的近似方法——主向梁节点挠度选择法。
计算简图和力学模型
• 小结
确定结构计算的力学模型时， 确定结构计算的力学模型时，必须从实际出发和分 清主次。 清主次。 实际出发：考虑结构的布置和构造，了解结构受力 状态的实际情况；
分清主次：对结构受力状态的影响因素分析，区别 主要因素和次要因素，由此引出结构各部分相对刚 度的概念。
计算简图和力学模型
肋骨框架计算
• 计算载荷的搭配
船舶是在多种工况下工作的，横梁和肋骨在 不同载荷搭配情况下，应力和变形是各不相 同的。对于各不同位置的构件，计算载荷应 以对其为最严重的载荷搭配为前提。
即使在实际中可能遇到这种搭配的时候很少， 但是仍要按照最危险的情况计算，只是为了 保留一定的安全储备。
肋骨框架计算
桁架：几何不变性由足够数量杆件来保证。桁架传 递的只是轴力。
计算简图和力学模型
工程上的实际问题并不是理想的刚架或者是桁架， 所以只能根据实际传递力的情况来判断用刚架还是 桁架来作为模型。船体肋骨框架各构件连接有肘板 连接，节点刚性极大，约束角位移，所以简化为刚 架，节点为刚性节点；工程上的桁架节点不是理想 的铰支，而是近似刚性节点，但仍简化为桁架计算， 是因为在对比轴力和弯曲内力后，前者远大于后者， 可以将后者忽略不计，故计算时仍按照铰支算。
设计阶段：初步设计阶段，比较粗糙；技术设计 设计阶段： 阶段，比较精确。前者视为定性研究，后者要求 定量。
计算简图和力学模型
计算问题的性质：静力计算时，可以用比较复杂精 计算问题的性质 确的力学模型；动力计算时和稳定性计算时，由于 问题的复杂性，要采用简单的计算简图。
计算工具：手工计算：则模型应该简化较大； 计算工具 计算机求解：则可取复杂的计算模型
甲板板架
3.多层甲板的骨架布置要注意骨架前后左右要对齐， 以便形成连续封闭的框架。 4.开口处理。开口造成的不连续，导致集中应力的 产生，因此要适当的加强。
甲板板架
• 其它甲板和平台设计计算载荷
1.有上甲板遮蔽的下甲板不考虑破损水压。 2.艏艉两端附近甲板和平台上装有重物或板厚大于 20mm时，需计算重物或结构因舰艇摇摆面引起的 惯性力。 3.保证舰艇不沉性的甲板，其局部强度计算载荷不 应小于破损水压头高 4.作为液舱结构一部分的甲板或平台，应取高达舱 顶或注入管(空气管)高度的水柱压头作为计算载荷
计算简图和力学模型
– 力学模型确定的原则 1.反映实际结构的工作性能 确定哪些构件能够简化，哪些能够忽略， 哪些要重点突出。 2.便于计算 计算的详细程度分阶段，分方法
计算简图和力学模型
– 影响力学模型的主要因素：
结构重要性：重要结构或者危险结构要精确的力 结构重要性： 学模型。破坏后果严重的船舶，直接或间接损失 大的船舶，则应考虑较复杂的计算模型；
甲板板架
• 纵骨架式甲板板架设计分析
纵骨架式甲板板架在设计上首先考虑的是强度来确 定横梁的大小，合理选择纵骨后稳定性可以保证的。 板架稳定性不同于梁的稳定性，梁是单向的构件， 而板架是二维的结构，各个方向的稳定性都要考虑。 其原理就是短板理论。
甲板板架
• 甲板板架的结构设计
甲板板架的结构设计，首先要考虑的是用什么骨架 式？一般考虑的两个问题也就是强度和稳定性，要 根据侧重的不同来选择不同的骨架形式。一般来说， 纵骨架式甲板板架在保证板架稳定性后充分发挥材 料作用方面是具有优势的。横骨架式在一下情况下 用： 1.中垂弯矩比中拱弯矩小得多。
对超静定结构，简化无限化。 结构简化参考： 1.交叉梁系载荷传递方式取决于两个方向的刚度比 值。 2.结构中两个相互联系的部分，如刚度相差较大， 则整个结构可以分开计算。 3.一个空间结构往往包含许多平面单元，而各平面 单元之间又存在着空间联系。
计算简图和力学模型
4.简化是要注意弹性支座与被支承构件的相对刚度。 5.多层刚架承受水平载荷时，如横梁与肋骨的线刚度 比值大于3，则横梁可简化成刚性梁。
甲板板架
– 横骨架式甲板板架横梁设计应从稳定性条件出发， 来确定横梁临界刚度。 – 横骨架式甲板板架横梁采用高强度钢是不适宜的， 上甲板板采用高强度钢也是不利的。 – 横骨架式甲板板架在横向强度上不用考虑，在总纵 强度和稳定性方面主要是稳定性是主要因素。因为 横向构件密集对稳定性提高作用不大，纵向强度主 要靠纵向大构件来保证。
பைடு நூலகம்
船底板架
– 横骨架式的船底板分析 横骨架式船底板属于第三类构件，因为作用在板上 的正应力只有总纵弯曲正应力，船底板架弯曲正应 力，肋板之间板格弯曲正应力。 在肋板之间的外底板局部弯曲可以作为在肋板处刚 性固定的板条梁来计算。 横骨架式船底外板稳定性问题严重，板厚最终确定， 必须进行减缩计算。
船底板架