船舶强度与结构设计授课教案第三章船体局部强度校核计算方法

第三章船体局部强度校核计算方法

船体各部分结构抵抗局部载荷直接作用而不产生破坏和超过允许限度的变形的能力称为船体结构局部强度。船体结构主要组成部分为船底结构、甲板结构、舷侧结构和舱壁结构。在局部强度校核计算中，首先要将船体空间立体结构简化为板、梁、板架和框架来进行计算，在确定局部结构受到最大载荷(设计载荷)后，建立数学模型计算局部结构的内力与变形。最后要确定局部结构的强度校核衡准。

3.1 局部强度计算的力学模型

*局部强度概念：船体在外力作用下除发生总纵弯曲变形外，各局部结构，如船底、甲板、船侧和舱壁板架以及横向肋骨框架也会因局部载作用而发生变形、失稳或破坏。研究它们的强度问题称为局部强度。

*局部强度的主要研究内容：板架、框架、各种骨材以及壳板的强度计算。

*局部强度研究方法：

（1）传统的局部强度计算方法：即把船体结构划分成各种板架、刚架、连续梁和板等进行计算；

（2）有限元法：可以扩展成各种结构的整体计算，如立体舱段计算等。一、建立计算模型的原则

结构模型化是计算的前提和结构分析成败的关键，影响计算模型的主要因素有下列几点：

（1）结构的重要性：对重要结构应采用比较精确的计算模型；

（2）设计阶段：在初步设计阶段可用较粗糙的模型，在详细设计阶段则需要较精确的计算模型；

（3）计算问题的性质：对于结构静力分析，一般可用较复杂的计算模型，对于结构动力和稳定性分析，由于问题比较复杂，可用较简单的计算模型。

二、构件几何尺寸的简化

1、板架计算时：其长度、宽度取相应的支持构件间距离。例如，船底板架和甲板板架的长度取横舱壁之间的距离，宽度取组成肋骨框架梁中和轴的跨距，或简单地取为船宽。

2、肋骨刚架计算时：其长度、宽度取组成肋骨框架梁的中和轴线交点间距离，用中和轴线代替实际构件。

3、构件剖面要素计算时应包括带板（附连翼板）

三、骨架支承条件简化

1、骨架支座形式：

（1）自由支持在刚性支座上；

（2）刚性固定；

（3）弹性支座和弹性固定。

2、骨架支承条件简化

简化成何种支座，视相邻构件与计算构件间的相对刚度及受力后的变形特点而定。

四、结构处理模型化

1、结构对称性的利用

（1）船体结构一般都是左右对称的，充分利用这个特点可大大减少未知量的数目。如果结构与载荷都是对称的，可取一半结构进行计算，在对称面的各节点加上适当的约束，如图3-8(a)所示。

（2）如果结构具有纵、横双重对称性，载荷也可对称，则可取1/4结构进行计算。

（3）当结构对称、载荷不对称时，可将载荷分解为对称与反对称两种情况计算。

2、等效刚度模型的利用

等效模型在船体局部强度计算中应用是很普遍的，它可使自由度大为减少。 例如，如图3-10所示的大舱口货船的悬臂梁结构，就可采用一维梁模型来计算，以代替空间刚架计算。

（1）将悬臂梁简化为支持甲板纵桁的弹性支座（见图3-10(b)），其刚度可由图3-10(c)所示肋骨刚架在单位力作用下的挠度求得，即

1

υ⨯==j j A R A j j A K 1=

（2）舱口围板处的弹性支座刚度由图3-10(d)所示刚架计算得到。

3.2 船体局部强度外力确定

一、上甲板、舷侧、底部结构计算水压力

考虑到舰船在波浪中横摇、纵摇与升沉运动，以及波浪冲击下的甲板土浪，船体舷外最大水压力比舰船的设计吃水要大，规范规定船体上甲板和艏艉楼甲板的露天部分，其计算载荷主要考虑飞溅水的作用，并按下式计算：

∆=81.9p 式中p —计算水压力（kPa ）； △—计算水头高（m ），并按下式计算，但任何情况下不得小于0.5m 。

f h L K ∙=∆

])(8)(21[01.02L X L X K ++=

式中X —所计算截面距舰舯的距离(m)，由舰中向艏为正，向艉为负；f h ——所计算截面的干舷高(m)，并需计及艏楼和艉楼的高度；L ——正常排水时舰船设计水线长(m)。

船体底部和舷侧的计算水压力p 由下式确定：

)]1([81.9H Z H p ∆--=

式中p —计算载荷(kPa)；H —计算截面的舷侧高度(m)； Z —计算结构中点距基线的高度(m)，对手底板、舷侧板、底部纵骨、舷侧纵骨及舷侧纵桁取构件中点距基线的高度，对于底部板架取计算构件的中点距基线的高度的平均值。

二、其它甲板和平台设计计算载荷

1、其它甲板和平台设计计算载荷

船体甲板或平台局部强度计算还应考虑以下计算载荷，并取所有这些载荷的最大载荷作为甲板或平台局部强度的计算载荷。

①上甲板遮蔽部分以下不考虑破损水压头的下层甲板和平台的局部强度计算载荷取为

21p p p += 式中p —计算载荷(kPa)； 1p —固定重物载荷(kPa)； 2p —水压力取4.91 kPa 。

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，具体计算见3.1.6节。

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，详见3.1.7节。

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。

3.1.3 上层建筑局部强度计算载荷

上层建筑局部强度计算载荷主要包括航行中飞溅浪花冲击产生的等效水压力以及上层建筑上重物或结构的重力和惯性力，重力和惯性力的计算方法见

3.1.6节，下面主要介绍上层建筑各部分结构的等效计算水压头。

①对于艏楼、艉楼甲板和第一层桥楼甲板的露天部分及侧壁的计算载荷取

9.8△(kPa)，其中△由式(2—2)确定。

第一层甲板室甲板露天部分及侧壁的计算载荷按下式计算：

)1(9.4B b p +

∆＝ 式中 p ——计算压力(kPa)； b ——甲板室宽度（m ）； B ——该处船宽（m ），△由（2－2）式确定。

所有第一层上层建筑甲板和侧壁的计算载荷均不得小于4.9kPa 。