第七章-船体构规-课件.ppt

1、第七章 船体结构规范法设计7.1 船体结构规范法设计的基本考虑船体结构规范法设计的基本考虑7.1.1 船舶建造规范的产生、发展和作用船舶建造规范的产生、发展和作用u 18世纪世纪40年代以前，所有的船舶都凭经验建造，经历了巨大年代以前，所有的船舶都凭经验建造，经历了巨大的损失。后来，逐渐形成了造船所应遵循的规范。的损失。后来，逐渐形成了造船所应遵循的规范。u 彼得大帝于彼得大帝于1723年颁布了年颁布了“关于按照新的船样建造河船关于按照新的船样建造河船”的的条例。在此条例中规定了船体的基本构件。条例。在此条例中规定了船体的基本构件。u 1760年成立了世界上第一个船级机构年成立了世界上第一个船

2、级机构英国劳氏船级协会。英国劳氏船级协会。u 1835年出现了第一本船级协会颁布的年出现了第一本船级协会颁布的建造规范建造规范。u 1855年、年、1888年相继出现了年相继出现了铁船规范铁船规范、钢船规范钢船规范。世界上的船级社主要有以下几个：世界上的船级社主要有以下几个：u CCS中国船检局中国船检局u ABS美国船检局美国船检局u LR英国劳氏船级社英国劳氏船级社u GL德国劳氏船级社德国劳氏船级社u NK日本海事协会日本海事协会u BV法国船级社法国船级社u NV挪威船级社挪威船级社u RI意大利船级社意大利船级社u RS俄罗斯海上船舶登记局俄罗斯海上船舶登记局船级社职能：船级社职能：

3、u按规范监督船舶的建造按规范监督船舶的建造u允许船舶入级允许船舶入级u给它们所登记的船舶办各给它们所登记的船舶办各种国际协定所要求的证书种国际协定所要求的证书u对使用中的船舶做定期检对使用中的船舶做定期检查查7.1.2 规范法设计的基本步骤规范法设计的基本步骤结构的布置总布置图母型船设计船的特殊要求船体强度建造规范主要构件计算书中剖面图基本结构图型线图肋骨型线图选确定结构尺寸的一般顺序是：确定结构尺寸的一般顺序是：甲板骨架首先选择合适的结构型式，确定肋骨间距外板甲板船底骨架舷侧骨架总纵强度校核7.1.3 建造规范的选用o 按航行区域有：海船入级与建造规范、内河湖泊船舶建造规范；o 按船舶类型有

4、：商船、渔船、水翼船、气垫船、超高速船、军舰等。在结构设计之前，应根据设计船的建造材在结构设计之前，应根据设计船的建造材料、航行区域及类型等选择合适的规范。料、航行区域及类型等选择合适的规范。规范一经确定，还要检验所设计船是否满足该规范的适用范围；这也是现有规范的最大局限性。一般规范都在船舶尺度与主要尺度比值船舶尺度与主要尺度比值和船型及船体结构型式船型及船体结构型式两大方面规定了规范的适用范围。我国海船规范适用于船长从20m到300m的焊接结构的钢质海船，且主尺度范围为L/D=17，B/D10cm3。板厚：mmht3.7)10077.0(1.101实取实取t=8mm。垂直加强筋取垂直加强筋取

5、-8120。板厚：t=t货+2mm实取实取t=10mm。水密、油密肋板（2.6.6.1）7.5 应力集中区的结构设计应力集中区的结构设计7.5.1 应力集中及应力集中系数应力集中及应力集中系数在船体结构中，间断的构件在其剖面形状与尺寸突变处的应力，在局部范围内会产生急剧增大的现象；这种现象称为应力集中。应力集中更易于引起局部裂纹和促进裂纹的逐渐扩展；u介绍船体结构中比较突出的应力集中问题介绍船体结构中比较突出的应力集中问题；u以及应力集中区的结构设计以及应力集中区的结构设计。1.减少应力集中的方法减少应力集中的方法o 所有船体构件应有平顺的过渡；所有船体构件应有平顺的过渡；o 骨架梁腹板高度变

6、化时，应有一过渡区，骨架梁腹板高度变化时，应有一过渡区，该区段的长度一般应不小于相邻腹板高度差该区段的长度一般应不小于相邻腹板高度差的的5倍。倍。实验应力分析实验应力分析 电学方法有电阻、电容、电感等多种方法，而以电阻应变计测量技术应用较为普遍电阻应变计法将它安装在构件表面。构件受载荷作用后，表面产生微小变形，敏感栅随之变形，致使应变计产生电阻变化，其变化率和应变计所在处构件的应变成正比。测出电阻变化，即可按公式算出该处构件表面的应变，并算出相应的应力。依敏感栅材料不同，电阻应变计分金属电阻应变计和半导体应变计两大类。电容应变计法电容应变计是一种能将构件上的尺寸变化转换成电容变化的变换器。试件

7、变形时，两电容极片间距随之变动，引起电容变化。测出电容变化率，按公式可算出试件的应变。电容应变计有弓形、平板式和杆式等类型。光学方法此法发展较快，方式较多，逐渐形成光测力学。光弹性法运用光学原理研究弹性力学问题的一种实验应力分析方法。使一束垂直入射偏振光沿材料中的两主应力方向分解成振动方向互相垂直、传播速度不同的两束平面偏振光；卸载后，又恢复光学各向同性。这就是所谓的暂时双折射效应。用具有这种效应的透明塑料按一定比例制成零构件模型，置于偏振光场中，施加一定的载荷，模型上便产生干涉条纹。通过计算，就能确定模型受载时各部位的应力大小和方向。声学方法有声弹性法、声发射技术和声全息法等声弹性法。利用超

8、声剪切波的双折射效应测量应力的一种方法。超声波在有应力的介质中传播时，其剪切波沿两主应力方向发生偏振，两偏振波以不同速度传播。实验和理论分析得到应力-光学定律：沿主应力方向的两个超声剪切波的速度差与两主应力差成正比。该比例系数称声弹性系数，与材料的弹性常数有关。用此法可测量非透明材料的内部应力，并可测量焊接件的残余应力。2.应力集中系数应力集中系数通常用应力集中系数来表示应力集中的程度；0maxk基准应力1.开口的应力集中开口的应力集中关于孔边的应力集中，可用具有小椭圆开孔的无限宽板受位抻的情况来说明。AB2 a2b2 bBApa)21(aakA21)21(0max7.5.2 开口的应力集中及

9、降低角隅处应力集中的措施开口的应力集中及降低角隅处应力集中的措施可推广到圆形开孔，此时0.3,Aaba故。此外，还可推广应用到钢板中的裂缝。假设在甲板上沿船宽方向出现裂缝，裂缝长为b。a 宽为,201100/A，aba时当可见裂缝尖端处的应力集中是非常大的。因此，裂缝一经产生，必继续蔓延扩大，直至结构破坏。若在裂缝尖端钻一小孔，直径约18mm，便可防止裂缝进一步蔓延，故称为止裂孔。受位伸的矩形开口角隅处的应力集中，主要受下述因素的影响。受位伸的矩形开口角隅处的应力集中，主要受下述因素的影响。（1）开口宽度与整个船宽的比值b/B，b/B增大，应力集中系数增大。（2）开口长宽比a/b，a/b增大，

10、应力集中系数降低。（3）开口角隅处的形状。其中开口角隅处的形状对应力集中系数影响最大。采用圆弧形角隅的大舱口；根据实船的试验资料，最大应力一般发生在舱口纵边上圆弧终止点内侧约成300角的圆弧边缘上；宽度大应力较集中细长缝应力集中系数小a舱 口 后 端3 7.15 0.2blbB舱 口 前 端3 7.15 0.2blbB舱 口 后 端2 2.12 4.2blbB有孔板的光弹性试验1.03.02.04.00 0.0 5 0.1 0 0.1 5 0.2 0 0.2 5 0.3 0br由图可看出，由图可看出，角隅圆弧半径角隅圆弧半径r与开口宽度与开口宽度b之之比是影响应力比是影响应力集中的主要因集中的

11、主要因素。素。基本不再变化基本不再变化急剧变化急剧变化u舱口角隅采用椭圆形或抛物线形，且长轴沿船长方向，进一步改善了过渡方式；u这时的应力集中系数比采用圆弧形的应力集中系数低；u在保持同样开口面积情况下，把圆弧改成椭圆或抛物线形状，应力集中系数可降低12%-20%；u所以，近代各船级协会规范在推荐采用这两种形状的角隅时，都不要求在角隅处再加厚板；u因此，这两种形式的角隅不仅结构更合理，而且工艺更简单。要指出，开孔板的受力情况不同，其应力集中也是不同的。对一般货船，甲板开口应力集中主要以承受总纵弯曲的拉伸与压缩应力为对象。对于大开口船舶，船体的扭转不可忽视，此时不仅甲板产生切应力，而且还必须考虑

12、船体扭转产生舱口菱形变形所引起的应力集中。特别是对集装箱箱船，这是不容忽视的问题。2、甲板上开口的设计、甲板上开口的设计（1）开口方位的布置为防止应力集中引起结构的破坏，在高应力区域和已经存在较大应力为防止应力集中引起结构的破坏，在高应力区域和已经存在较大应力集中的区域内，应尽量避免开孔。集中的区域内，应尽量避免开孔。例如，在强力甲板开口线以外的区域应尽量少开口，并须避开舱口角隅；在船中部桥楼和甲板室的前端壁与货舱角隅之间的强力甲板上，以及上层建筑端部的舷顶列板上等处所，也应尽量避免开口。如需开口，开口的长边应沿船长方向布置。如需开口，开口的长边应沿船长方向布置。（2）降低开口应力集中的结构措

13、施在结构设计时必须充分注意舱口角隅处的结构细节，对强力甲板上的机炉舱口，货舱口，为降低角隅处的应力集中，可采取如下一些措施；采用圆弧形舱口角隅此时，角隅半径与舱口宽度之比不小于1/10；为进一步降低舱口角隅的应力集中，在角隅的高应力区还要加厚板加厚板或加复板加复板的方法给予加强。采用抛物线或椭圆形舱口角隅此时，规范不要求角隅处的甲板加厚板，但角隅处的形状应符合下图的要求。椭圆角隅的最佳长短轴之比为3.03.5，此时应力集中程度可比相应的圆弧角隅减少23%左右。舱口边缘的甲板纵桁对降低角隅处的应力集中有一定的作用舱口边缘的甲板纵桁对降低角隅处的应力集中有一定的作用在舱口围板端部应当采用纵向肘板逐

14、步过渡至于舱口围板在角隅处是做成圆表，还是直方形，对角隅处的应力集中的影响差别不大。为简化工艺，故多用直角焊接。减小开口间的甲板厚度减小开口间的甲板厚度对海船，开口之间的甲板厚度是按局部强度要求决定的。对内河船，河船规范已规定取比开口线以外的甲板厚度减薄1mm。采用一种新型的采用一种新型的“弹性角隅弹性角隅”弹性角隅的应力集中系数比同尺度的椭圆角隅的应力集中系数降低15%左右。但是，这种角隅的致命缺点是制造困难。凡开口尺度相对船度来说很小，高应力只在很局部的范围内分布，或者凡开口尺度相对船度来说很小，高应力只在很局部的范围内分布，或者应力集中系数不大，这类开口可不予加强。这些开口有：应力集中系

15、数不大，这类开口可不予加强。这些开口有：直径不大于20倍板厚的圆形开口；椭圆形开口的长轴沿船长方向布置，且开口长度比不小于2；其它形状的开口，如果试验证明其应力集中系数小于2（对一般强度钢），或者小于1.5（对高强度钢）的开口；强力甲板开口线以外，长度（首尾方向）不超过2.5m及宽度不超过1.2m或0.04Bm（取小者）的甲板开口，在一个横剖面（Y-Y）上的开口宽度总和（包括下图所示）be应符合下式要求：)(06.0biBbe不符合上述要求的小型开口,则应予以加强；通常的补偿方法是加厚甲板，以便减小应力集中。开口宽度计算法开口宽度计算法图7-16 小型开口的套环形式加强对需要加强的圆形或椭圆形

16、开口（不满足上述和者），海船规范建议采用套环形式加强开口边缘（见下图）。此时，圆环板的剖面积A应不小于按下式计算值：A=0.5rt(mm2)三、肘板的应力集中三、肘板的应力集中在船体结构中，骨架端部主要是以肘板进行连接的。通常，普通骨材的端部多用三角形肘板若骨材腹板高度为d；最大应力发生在圆弧半径r终止处向肘板内缘约10之内的点上；最大应力的大小主要决定于r/d，而与肘板的大小无关。应力集中系数k可按下式近似确定：rdko112.01max肘板的形状以圆弧形为最好。增大圆弧半径可以降低应力集中系数，但当圆弧半径超过骨材腹板高度时，再增大圆弧半径其降低应力集中的效果就不明显了。肘板尺寸较大时，例

17、如舭肘板，为减轻结构重量常在其上开减轻孔。此时，除开孔的近傍外，肘板内的应力分布与不开孔时无多大变化。因此，减轻孔的位置及大小主要使孔边的应力较小。当开孔中心距肘板边缘的距离h=0.15D0.30D时，在孔边距肘板边缘最近点处的应力将与骨材在肘板趾点处的弯曲应力相等。四、上层建筑端部的应力集中及加强设计四、上层建筑端部的应力集中及加强设计（一）主体在上层建筑端部的应力集中（一）主体在上层建筑端部的应力集中在上层建筑端部，由于断面形状突然中断，使该主体结构中产生极大的应力集中。前面已指出,当船体梁发生弯曲变形时,在主体与上层建筑的连接线上产生了水平剪q(x),其分布为：图 8-10 主体与 上层

18、建筑连接线 上 水平剪力的分 布CCCCTX XXX图 8-11 受力 作用后距 作用点 X处的应力根据弹性力学的已知解，若一单位力T作用在半无限板的直线边缘上，则距作用点x处的正应力为：rTtxTtx64.02又若一单位力T作用在板的表面上，沿力的作用线垂直方向横剖面上产生的正应力为：rTtxTxtx26.043式中x所讨论的剖面离开力作用点的距离；t板厚；甲 板舷 侧143图8-12 主 体 板 边 横 剖 面若在上层建筑与主体连接线上以一系列集中力T（=qc）代替分布剪力q，对每一个集中力T可求得在主体板边横剖面上产生的正应力为：xTx理论上在靠近集中力T作用点处，主体板边的的正应力均无

19、限增大，且当过了力的作用点之后，应力改变符号。一系列集中力T若均以侧壁端点为坐标原点，则它们在端点之外总是引起同号的正应力，所有相同符号应力迭加的结果，便形成端点处的极大应力集中。在上层建筑端部，主体结构中的应力集中系数，可以近似地由下计算：rha3.01（二）（二）端部减轻缓应力集中的措施与加强设计端部减轻缓应力集中的措施与加强设计在上层建筑端部由于应力集中而造成的损坏是经常发生的。因此，在结构设计中必须采取多种措施来减缓该处的应力集中程度。1、船楼端部减缓应力集中的措施、船楼端部减缓应力集中的措施（1）设置端部弧形过渡板船楼端部与主体成直角相交时，无论采取什么措施，理论上该处的应力集中总是

20、无穷大。因此，应在船楼端部设置弧形板（圆形或椭圆形），使端部舷侧板逐渐过渡到主体舷顶列板，并用加强肘板支持。增大过渡板圆弧半径可以有效地降低应力集中系数。增大过渡板圆弧半径可以有效地降低应力集中系数。规范都对过渡板的结构作了具体规定。（2）局部增加主体结构板厚）局部增加主体结构板厚增加船楼端部区域的舷顶列板及甲板边板的厚度亦可降低过高的局部应力，因此规范对增厚的大小及范围都作了具体规定。2、甲板室端部减缓应力集中的措施、甲板室端部减缓应力集中的措施为减少甲板室端部角隅处的应力集中，通常其侧壁与端壁的连接应做圆角，形成带圆角的围壁。同时，设法降低围壁与甲板连接处的抗剪刚性系数（特别是降低接缝的抗

21、剪刚性系数），使连接处的剪应力减少。这可在角隅处局部（通常沿船长及船宽方向的长度不小于甲板室高度）采用铆钉与甲板相连。甲板(a)()b甲 板焊 缝 铆 接围 壁图 8-1 4 甲 板 室 角 隅 处 围 壁 与 甲 板 的 连 接我国实船建造中，还采用了下图所示的连接型式。一般来说，围壁下加复板的形式较好；此时复板不能太薄，也不能太厚，可建议取围壁与甲板板厚之和的一半；同时，复板不能用塞焊，否则就失去它应有的作用了。另外，在船中部0.5L区域内的甲板室端部应尽量减少侧壁开口的数量和尺寸。所有门窗开口需设计成圆角，在门或类似开口的上下面应有足够的连续围壁板。图 8-15 甲板室角隅处围壁与甲板的

22、连接型式甲板围壁扁钢复板甲板围壁甲板围壁甲板围壁复板3、其它加强措施、其它加强措施近年来，由于主机功率的增大，上层建筑因振动而发生的损坏情况大大增加。这可能是由于船体总振动而诱发的上层建筑的共振；也可能是由于上层建筑的固有频率与激振力耦合而产生的振动。因此，在设计阶段以足够的精度计算出上层建筑振动响应峰值频率是很重要的。在决定机舱及上层建筑结构的布置与尺寸时，要保证船上的振动量级是可以接受的。图 8-1 6 由 于 船 体 第 一 谐 调 振 动 引 起 的 中 部 上 层 建 筑 的 垂 直 振 动图 8-1 7 由 于 船 体 四 阶 振 动 引 起 的 尾 部 上 层 建 筑 的 纵 向 振 动为了增大结构的刚性，传递竖向力，通常应按下述要求进行加强设计：（1）在船楼或甲板室端部的下面均应设置支柱、隔壁、舱壁或其他强力构件，以支持上层建筑，承受竖向力。（2）船楼内强肋骨或局部舱壁应尽可能设置在与其下面的水密舱壁或其它强力构件在同一垂直平面内。（3）在最下层长甲板室端壁和侧壁上，一般应设置间距为9m的局部舱壁或垂直桁材，并尽可能与其下面舱室的加强构件在同一平面内。