船舶强度与结构设计.pptx

1 船体强度是研究船体结构安全性的科学。船体强度是研究船体结构安全性的科学。1.结构的安全性结构的安全性 结构的安全性包括：结构的安全性包括：(1)结构能承受在正常施工和正常使用时可结构能承受在正常施工和正常使用时可能出现的各种载荷，并在偶然事件发生时及发能出现的各种载荷，并在偶然事件发生时及发生后仍能保持必需的整体稳定性。生后仍能保持必需的整体稳定性。(2)结构在正常使用时，对于民船必须适合结构在正常使用时，对于民船必须适合营运的要求，和具有足够的耐久性；对于军船营运的要求，和具有足够的耐久性；对于军船还必须满足在规定海况下，具有良好的战斗性还必须满足在规定海况下，具有良好的战斗性能和生命力。能和生命力。22.2.船体强度计算内容和方法船体强度计算内容和方法 (1)确定作用在船体及各个结构上的外力。确定作用在船体及各个结构上的外力。(2)确定船体结构在外载作用的响应：结构确定船体结构在外载作用的响应：结构 剖面中的应力与变形剖面中的应力与变形；结构的极限状态分；结构的极限状态分 析。即所谓内力问题。析。即所谓内力问题。(3)确定合适的强度标准，并检验强度条件。确定合适的强度标准，并检验强度条件。这三部分内容是一个综合的整体，通常被这三部分内容是一个综合的整体，通常被分散到船舶静力学、船船结构力学等几门课分散到船舶静力学、船船结构力学等几门课程中讨论。程中讨论。3 结构的安全性标准以在规定计算载荷下计算结构的安全性标准以在规定计算载荷下计算结构剖面中的应力结构剖面中的应力 与许用应力与许用应力 相比较，相比较，即利用条件即利用条件 检验强度是否足够。检验强度是否足够。实际上在船体强度计算中实际上在船体强度计算中有有许多许多不确定因不确定因素素：(1)载荷具有很大的变动性和随机性；载荷具有很大的变动性和随机性；(2)材材料的性能的不确定性；料的性能的不确定性；(3)建造质量，分析计建造质量，分析计算中的简化、假设、近似所造成的误差等。算中的简化、假设、近似所造成的误差等。因此，结构的安全性是属于概率性的，只有因此，结构的安全性是属于概率性的，只有运用概率方法才能充分揭示作用在船体结构中运用概率方法才能充分揭示作用在船体结构中的随机外力的真相和结构材料在随机载荷作用的随机外力的真相和结构材料在随机载荷作用下的破坏机理。下的破坏机理。4 在船舶结构工程中概率方法的应用目在船舶结构工程中概率方法的应用目前仍处于初步阶段。现行对民船仍采前仍处于初步阶段。现行对民船仍采用规范法，对超规船则辅以直接计算用规范法，对超规船则辅以直接计算方法，而军船则采用计算方法。在具方法，而军船则采用计算方法。在具体计算中，通常将船体强度分为总强体计算中，通常将船体强度分为总强度和局部强度进行研究。度和局部强度进行研究。传统的评定船体强度和确定性的传统的评定船体强度和确定性的设计方法终将会由船体结构的可靠性设计方法终将会由船体结构的可靠性分析的概率设计计算方法所代替。分析的概率设计计算方法所代替。5总强度总强度将将船体当作飘浮的空心薄壁梁船体当作飘浮的空心薄壁梁(称为称为船体梁船体梁)，从整体上研究其变形规律和抵抗，从整体上研究其变形规律和抵抗破坏的能力，通常称为总强度。破坏的能力，通常称为总强度。由于舶体主要是纵弯曲变形，所以总由于舶体主要是纵弯曲变形，所以总强度就是研究船体梁纵弯曲问题。强度就是研究船体梁纵弯曲问题。随着如集装箱船这类甲板长大开口船随着如集装箱船这类甲板长大开口船的出现，计算扭转强度也成了十分重要的的出现，计算扭转强度也成了十分重要的问题，目前在这方面的研究已取得了长足问题，目前在这方面的研究已取得了长足的进步。的进步。局部强度局部强度局部构件局部构件(纵桁、横梁、肋骨等纵桁、横梁、肋骨等)、节点节点(肘板等肘板等)、局部结构、局部结构(舱壁、甲板、船底舱壁、甲板、船底板、舷侧板等板、舷侧板等)的强度。的强度。62 2 作用在船作用在船 体结构上的体结构上的 载荷载荷7 作用于船体上的载荷可按其响应和随时间变化进行作用于船体上的载荷可按其响应和随时间变化进行分类。分类。1.1.按结构响应分类按结构响应分类：总体性载荷和局性载荷。：总体性载荷和局性载荷。总体性载荷总体性载荷引起整个船体变形或破坏的载荷和载引起整个船体变形或破坏的载荷和载荷效应。如总纵弯曲的力矩、剪力、应力及纵向荷效应。如总纵弯曲的力矩、剪力、应力及纵向扭矩等。扭矩等。局部性载荷局部性载荷指引起局部结构、构件变形或破坏指引起局部结构、构件变形或破坏的载荷，如水密试验时的水压力，机器的不平衡的载荷，如水密试验时的水压力，机器的不平衡所造成的惯性力、局部振动，海损时的水压力等。所造成的惯性力、局部振动，海损时的水压力等。船体受到的最基本的载荷有：装载的货物船体受到的最基本的载荷有：装载的货物(或武备或武备)、油、水等重力及舷外水压力油、水等重力及舷外水压力(静水或波浪静水或波浪)。这些载。这些载荷既引起局部结构、构件的变形成破坏，同时又荷既引起局部结构、构件的变形成破坏，同时又是引起船体梁总纵弯曲或扭转的基本载荷。是引起船体梁总纵弯曲或扭转的基本载荷。82.2.按载荷随时间变化分类按载荷随时间变化分类：不变载荷、静载荷、动：不变载荷、静载荷、动载荷和冲击载荷。载荷和冲击载荷。不变载荷不变载荷在作用时间内不改变其大小的载荷，在作用时间内不改变其大小的载荷，如静水载荷如静水载荷(包括静水压力、货物压力、静水弯矩包括静水压力、货物压力、静水弯矩等等)、水密试验时的水压力等。、水密试验时的水压力等。在不变载荷作用下在不变载荷作用下的结构响应分析称为静力分析。的结构响应分析称为静力分析。静载荷静载荷载荷在作用时间内基本不变化的，故又载荷在作用时间内基本不变化的，故又称为称为准静态载荷准静态载荷。如，作用于船体的波浪载荷。如，作用于船体的波浪载荷(包包括动水压力、波浪诱导弯矩等括动水压力、波浪诱导弯矩等)、液体货物的晃动、液体货物的晃动压力、航行中的甲板上浪、下水载荷等，其中最压力、航行中的甲板上浪、下水载荷等，其中最重要的是波浪载荷。由于波浪载荷的随机性以及重要的是波浪载荷。由于波浪载荷的随机性以及载荷与响应之间的复杂的相互作用，其计算是一载荷与响应之间的复杂的相互作用，其计算是一项复杂的任务它涉及统计理论、流体动力学，以项复杂的任务它涉及统计理论、流体动力学，以及系统分析等多种专门知识。及系统分析等多种专门知识。9 直至目前造船业仍将船舶静置在波浪上直至目前造船业仍将船舶静置在波浪上的纵强度计算的标准方法。由于所有船舶的纵强度计算的标准方法。由于所有船舶的强度都是在同一计算原理的基础上进行的强度都是在同一计算原理的基础上进行比较，而作为比较标准的许用应力又是以比较，而作为比较标准的许用应力又是以大量安全航行的总纵弯曲应力计算、海损大量安全航行的总纵弯曲应力计算、海损事故的纵强度分析以及实船测量所得的大事故的纵强度分析以及实船测量所得的大量应力数据为基础，并按照安全要求制定量应力数据为基础，并按照安全要求制定出来的。实践表明，采用这种方法在一定出来的。实践表明，采用这种方法在一定范围内进行应力比较和判断船体强度，具范围内进行应力比较和判断船体强度，具有简单、方便、可靠等优点。有简单、方便、可靠等优点。10 动载荷动载荷是指在作用时间内的变化周期是指在作用时间内的变化周期与所研究的结构构件响应的固有振动周与所研究的结构构件响应的固有振动周期同阶。如局部结构的强迫期同阶。如局部结构的强迫(机械机械)振动、振动、由螺旋桨引起的脉动压力、船体梁的波由螺旋桨引起的脉动压力、船体梁的波激振动等。这方面的内容属于激振动等。这方面的内容属于“船舶振船舶振动动”课程内容。课程内容。冲击载荷冲击载荷指在非常短的时间内突然指在非常短的时间内突然作用的载荷，例如砰击，水下爆炸冲击作用的载荷，例如砰击，水下爆炸冲击等。等。11 在计算动载荷及冲击载荷的响应时，在计算动载荷及冲击载荷的响应时，通常需作动力分析才能有足够的精度。通常需作动力分析才能有足够的精度。通常静力分析和动力分析是分开进通常静力分析和动力分析是分开进行的，动力分析通常只研究对于静载行的，动力分析通常只研究对于静载荷的偏离，因此，结构总的响应为这荷的偏离，因此，结构总的响应为这两种分析结果的和。两种分析结果的和。123 3 结构设计结构设计 的基本任的基本任 务和内容务和内容13 结构设计通常在船舶总体设计完成之后，结构设计通常在船舶总体设计完成之后，船舶的主要尺度、船体型线及总体布置船舶的主要尺度、船体型线及总体布置(船船舶建筑型式、甲板层数、甲板与内底位置舶建筑型式、甲板层数、甲板与内底位置及舱室的划分等及舱室的划分等)已经确定后进行。已经确定后进行。1.结构设计的基本任务：结构设计的基本任务：1)选择合适的结构材料和结构型式；选择合适的结构材料和结构型式；2)决定全部构件的尺寸和连接方式；决定全部构件的尺寸和连接方式；3)在保证具有足够的强度和安全性等要求在保证具有足够的强度和安全性等要求 下，使结构具有最佳的技术经济性能。下，使结构具有最佳的技术经济性能。142.船体结构设计各阶段的任务船体结构设计各阶段的任务 船体结构设计分为三个阶段，即初步设计、详船体结构设计分为三个阶段，即初步设计、详细设计和生产设计。在不同的阶段完成不同的工细设计和生产设计。在不同的阶段完成不同的工作：作：(1)(1)初步设计初步设计 根据技术任务书对整个结构的设根据技术任务书对整个结构的设计原则计原则(例如，船体材料及结构型式的选择、重大例如，船体材料及结构型式的选择、重大技术措施的采取等技术措施的采取等)进行分析比较，对主要构件的进行分析比较，对主要构件的布置与尺过进行理论估算，并绘制横剖面图，给布置与尺过进行理论估算，并绘制横剖面图，给出钢料预估单。出钢料预估单。(2)(2)详细设计详细设计 根据确认的初步设计及审批初步设根据确认的初步设计及审批初步设计时所作的各项决定，解决结构设计中的技术问计时所作的各项决定，解决结构设计中的技术问题，最终确定构件的布置、尺寸及连接方式，提题，最终确定构件的布置、尺寸及连接方式，提交验船部门审查所需要的设计图纸及技术文件。交验船部门审查所需要的设计图纸及技术文件。(3)(3)生产设计生产设计 绘制各部结构、构件连接的施工详绘制各部结构、构件连接的施工详图，以及分段施工图等。图，以及分段施工图等。154 4 评价结构评价结构 设计的质设计的质 量指标量指标16 为得到一个优秀的结构设汁，应考虑以下问为得到一个优秀的结构设汁，应考虑以下问题：题：1 1安全性安全性 即结构要能承受正常使用时各种可能的即结构要能承受正常使用时各种可能的载荷作用，并在偶然事件发生时及发生后，载荷作用，并在偶然事件发生时及发生后，仍能保持必需的整体稳定性仍能保持必需的整体稳定性(即仅产生局部损即仅产生局部损坏而不发生整体的破坏坏而不发生整体的破坏)。2.2.船舶的整体配合性船舶的整体配合性 船舶是一个整体，在船舶设计时，结构船舶是一个整体，在船舶设计时，结构设计必须同总体、轮机、设备电气及通风等设计必须同总体、轮机、设备电气及通风等其它方面的设计互相配合，以保证船舶在各其它方面的设计互相配合，以保证船舶在各方面都具有良好的工作性能。方面都具有良好的工作性能。17 3.3.工艺性工艺性 设计的结构必须便于施工建造、保证施设计的结构必须便于施工建造、保证施工质量，同时能最大限度地减少建造周期和工质量，同时能最大限度地减少建造周期和工作量，以降低建造成本。在设计时工作量，以降低建造成本。在设计时(1)要要尽可能简化船体几何形状；尽可能简化船体几何形状；(2)构件的形状和构件的形状和尺寸尽可能规格化、标准化；尺寸尽可能规格化、标准化；(3)不要采用相不要采用相同两个平面内弯曲的梁材构件；同两个平面内弯曲的梁材构件；(4)结构的布结构的布置要尽可能简单置要尽可能简单(尤其是在首尾部尤其是在首尾部)；(5)结构结构的连接设计要便于装配和减少施工量等；的连接设计要便于装配和减少施工量等；(6)还应根据承造厂的设备情况、生产组织等特还应根据承造厂的设备情况、生产组织等特点，合理地制订船体建造的原则方案和结构点，合理地制订船体建造的原则方案和结构焊接实施工程。焊接实施工程。18 4 4经济性经济性 对于民用船舶，设计的总目标使船舶在对于民用船舶，设计的总目标使船舶在整个使用期内具有最大的经济效益整个使用期内具有最大的经济效益(获利能获利能力力)。决定船舶获利能力的主要因素是初始。决定船舶获利能力的主要因素是初始成本和营运收入。结构设计不仅立接影响成本和营运收入。结构设计不仅立接影响船舶的初始成本，同时还影响船舶的营运船舶的初始成本，同时还影响船舶的营运费用和船舶的营运收入。因此结构设计费用和船舶的营运收入。因此结构设计中的经济性是一个需要仔细分析研究的问中的经济性是一个需要仔细分析研究的问题。题。19 5 5耐久性耐久性 耐久性即在正常的维修保养条件厂，结耐久性即在正常的维修保养条件厂，结构能够使月到预定的年限。船体结构的耐构能够使月到预定的年限。船体结构的耐久性主要决定于材料，但维修保养得当也久性主要决定于材料，但维修保养得当也很重要。因此，在设计时一方面要正确地很重要。因此，在设计时一方面要正确地估计结构的腐蚀磨损，同时应规定防止耗估计结构的腐蚀磨损，同时应规定防止耗损的各种措施。例如，保证材料的质量，损的各种措施。例如，保证材料的质量，保证船体的通风，提供便于检查和油漆的保证船体的通风，提供便于检查和油漆的工作条件工作条件(特别是空间特别是空间)，尽可能消除船体内，尽可能消除船体内部产生锈蚀发展的条件部产生锈蚀发展的条件(如避免结构内积水如避免结构内积水和设法排除船体内的积水和设法排除船体内的积水)等。等。206 6运行适合性运行适合性 船体结构要尽可能满足船舶的使用要求，船体结构要尽可能满足船舶的使用要求，对于民船应适合于营运的条件。如货舱的对于民船应适合于营运的条件。如货舱的结构必须便于装卸货物，旅客、船员的居结构必须便于装卸货物，旅客、船员的居室必须具有适当的高度与通道。而对于军室必须具有适当的高度与通道。而对于军船必须满足战略战术的要求，并使军船具船必须满足战略战术的要求，并使军船具有规定任务的战斗力和生命力。有规定任务的战斗力和生命力。安全性、适用性、耐久性安全性、适用性、耐久性统称为结构的统称为结构的可靠性。在可靠性中，安全性直接关系到可靠性。在可靠性中，安全性直接关系到船舶，其至人身安全，以及船舶经济效益船舶，其至人身安全，以及船舶经济效益问题，因此是最重要的要求。问题，因此是最重要的要求。215 5 结构设计结构设计 的基本原的基本原 理和方法理和方法22 长期以来，民船的结构设计主要以各船长期以来，民船的结构设计主要以各船级社颁布的有关规范为依据。但是按现行规级社颁布的有关规范为依据。但是按现行规范的传统设计方法存在缺点。如范的传统设计方法存在缺点。如(1)设计是设计是否合理、设计者胸中无数；否合理、设计者胸中无数；(2)结构强度的结构强度的保证，受到规范使用范围的限制；保证，受到规范使用范围的限制；(3)设计设计没有明确的目标，增加盲目性；没有明确的目标，增加盲目性；(4)设计者设计者受到规范约束，创新能力很难发挥等。因此，受到规范约束，创新能力很难发挥等。因此，在设计时必须运用结构力学的基本原理，运在设计时必须运用结构力学的基本原理，运用强度的知识来理解和突破规范的有关规定，用强度的知识来理解和突破规范的有关规定，使设计者有新的建树。使设计者有新的建树。23 从从60年代开始，船的尺度越来越大，吨位越来年代开始，船的尺度越来越大，吨位越来越高，新的运输方式、新的运货所要求的新船型越高，新的运输方式、新的运货所要求的新船型层出不穷；军船隐身技术的采用，新材料和新建层出不穷；军船隐身技术的采用，新材料和新建造方法，要求船舶更加安全可靠，同时又要有更造方法，要求船舶更加安全可靠，同时又要有更高的效率和经济性。因此，它的规范设计方法不高的效率和经济性。因此，它的规范设计方法不仅要适应新的情况，还迫切要求建立一个更加科仅要适应新的情况，还迫切要求建立一个更加科学、通用的结构设汁方法。另外，由于高速电子学、通用的结构设汁方法。另外，由于高速电子计算机的出现，结构分析的有限元法和数学规划计算机的出现，结构分析的有限元法和数学规划的优化技术飞速发展，使得结构设计工作者不仅的优化技术飞速发展，使得结构设计工作者不仅有了强有力的快速计算分析工具，而且有了一套有了强有力的快速计算分析工具，而且有了一套系统的方法来改进设计和优化设计。于是，船体系统的方法来改进设计和优化设计。于是，船体结构设计的基本原理和方法也正在逐渐发生着深结构设计的基本原理和方法也正在逐渐发生着深刻的变化，一个全新的船体结构设计原理和方法刻的变化，一个全新的船体结构设计原理和方法研究已经达到实用化的阶段。研究已经达到实用化的阶段。24 当前结构设计由确定性设计原理逐渐向概当前结构设计由确定性设计原理逐渐向概率性设计原理过渡。率性设计原理过渡。随着电子计算机在结构分析小的广泛应用，随着电子计算机在结构分析小的广泛应用，以以“结构的综合和优化结构的综合和优化”为特征的最优设计为特征的最优设计方法得到了迅速发展。方法得到了迅速发展。应不断明确设计的载荷状态和要防止的船应不断明确设计的载荷状态和要防止的船体结构破坏形式。体结构破坏形式。25第第 1 章章 船体梁总纵弯曲船体梁总纵弯曲的外力计算的外力计算11 船体梁受力与变形船体梁受力与变形 26 船体总纵强度计算中，通常将船体理想化船体总纵强度计算中，通常将船体理想化为一变断面的空心薄壁梁为一变断面的空心薄壁梁(简称船体梁简称船体梁)，并，并从整体上进行研究。船体梁在外力作用下沿从整体上进行研究。船体梁在外力作用下沿其纵向铅垂面内所发生的弯曲，称为其纵向铅垂面内所发生的弯曲，称为总纵总纵弯曲弯曲。船体梁抵抗总纵弯曲的能力，称为。船体梁抵抗总纵弯曲的能力，称为总总纵强度纵强度(简称简称纵强度纵强度)。271.船体梁的受力特征 船体总纵强度计算的传统方法是将船船体总纵强度计算的传统方法是将船舶静置在波浪上，求船体梁横剖面上的剪舶静置在波浪上，求船体梁横剖面上的剪力和弯矩以及相应的应力，片将它与许用力和弯矩以及相应的应力，片将它与许用应力相比较以判断船体强度。应力相比较以判断船体强度。船舶在波浪上航行时，虽然作用在船体船舶在波浪上航行时，虽然作用在船体结构上的外力相当复杂，但实践证明，重结构上的外力相当复杂，但实践证明，重力与浮力是引起船体梁总纵弯曲的主要外力与浮力是引起船体梁总纵弯曲的主要外力力(如图如图)。28xzWBp(x)b(x)xP(x)b(x)xq (x)29 全船总的重力和浮力是大小相等、方向相反，全船总的重力和浮力是大小相等、方向相反，并且作用在同一铅垂线上，即全船处于静力平衡状并且作用在同一铅垂线上，即全船处于静力平衡状态，但对沿船长的任一区段它们是不平衡的。假定态，但对沿船长的任一区段它们是不平衡的。假定重重力力沿沿船船长长的的分分布布为为p(x)，浮浮力力沿沿船船长长的的分分布布为为b(x)，则引起船体梁总纵弯曲的载荷，则引起船体梁总纵弯曲的载荷为为 根据梁理论，作用在船体梁横剖面上的剪力和弯根据梁理论，作用在船体梁横剖面上的剪力和弯矩为矩为：30载荷、剪力和弯矩符号规定：与船舶结构力学中直梁弯曲规定相同，即与船舶结构力学中直梁弯曲规定相同，即载荷载荷q(x)向下为正，剪力向下为正，剪力N(x)左下右上为正，左下右上为正，弯矩弯矩M(x)左逆右顺为正。左逆右顺为正。2.载荷、剪力、弯矩计算的一般步骤 计算作用在船体梁上的剪力和弯距，需首先计算计算作用在船体梁上的剪力和弯距，需首先计算重力和浮力沿船长的分布。对某计算状态，重量沿重力和浮力沿船长的分布。对某计算状态，重量沿船长的分布状况是不变的。而船舶在波浪中的浮力船长的分布状况是不变的。而船舶在波浪中的浮力沿船长的分布沿船长的分布bw(x)为船舶在静水中的浮力分布为船舶在静水中的浮力分布bs(x)和由于波浪而产生的附加浮力分布和由于波浪而产生的附加浮力分布b(x)之和，即之和，即31于是，作用在船体梁上的载荷、剪力和弯矩于是，作用在船体梁上的载荷、剪力和弯矩为为：静水剪力静水剪力Ns(x)波浪附加剪力波浪附加剪力Nw(x)静水弯矩静水弯矩Ms(x)波浪附加弯矩波浪附加弯矩Mw(x)32 注意：注意：(1)静水剪力和静水弯矩静水剪力和静水弯矩 是由静水浮力引起，主是由静水浮力引起，主要要取取决决于于船船体体浸浸入入水水中中部部分分的的形形状状，是是一一个个确确定定性的静态量，可由静水平衡计算求得。性的静态量，可由静水平衡计算求得。(2)波浪附加剪力、波浪附加弯矩是由波浪产生波浪附加剪力、波浪附加弯矩是由波浪产生的的附附加加浮浮力力引引起起的的，简简称称波波浪浪剪剪力力和和波波浪浪弯弯矩矩。因因波波浪浪附附加加浮浮力力是是动动态态的的、随随机机的的，其其计计算算相相当当复复杂杂。传传统统的的方方法法，都都是是将将船船舶舶静静置置于于标标准准波波浪浪上上，即即假假想想船船舶舶以以波波速速在在波波浪浪的的传传播播方方向向上上航航行行，此此时时船船与与波波的的相相对对速速度度为为零零。这这样样求求得得的的波波浪浪附附加加浮浮力力是是静静态态的的，对对应应的的波波浪浪附附加加剪剪力力和和波波浪附加弯矩分别称为浪附加弯矩分别称为静波浪剪力静波浪剪力和和静波浪弯矩静波浪弯矩。33计算船体梁所受到的剪力和弯矩步骤：计算船体梁所受到的剪力和弯矩步骤：(1)计算重量分布曲线计算重量分布曲线 p(x)；(2)计算静水浮力曲线计算静水浮力曲线 b(x)；(3)计算静水载荷曲线计算静水载荷曲线 qs(x)；(4)计算静水剪力及弯矩计算静水剪力及弯矩 Ns(x)，Ms(x)；(5)计算静波浪剪力及弯矩计算静波浪剪力及弯矩 Nw(x)，Mw(x)；(6)计算总剪力和总纵弯矩计算总剪力和总纵弯矩 342 2 重量曲线重量曲线35 船舶在某一计算状态下，描述全船重量沿船舶在某一计算状态下，描述全船重量沿船长分布状况的曲线，称为重量曲线。绘制船长分布状况的曲线，称为重量曲线。绘制重量曲线时，必须要有表明：重量曲线时，必须要有表明：(1)各项重量及其重心位置的重量、重心明细各项重量及其重心位置的重量、重心明细 表；表；(2)以及确定各项重量纵向分布范围的船体纵以及确定各项重量纵向分布范围的船体纵中剖面图。中剖面图。以上表格及图统称为以上表格及图统称为重量重心资料重量重心资料。36 绘制重量曲线的方法，是将船舶的各项重绘制重量曲线的方法，是将船舶的各项重量量按按静静力力等等效效原原则则 分分布布在在相相应应的的船船长长范范围围内。再逐项迭加即可得重量曲线。在手工计内。再逐项迭加即可得重量曲线。在手工计算中，通常将船舶重量按算中，通常将船舶重量按20个理论站站距分个理论站站距分布布(民船的理论站号从船尾至船首，军船则是民船的理论站号从船尾至船首，军船则是从船首至船尾编排从船首至船尾编排)，每个理论站距内的重量，每个理论站距内的重量可以认为均匀分布，从而作出阶梯形重量曲可以认为均匀分布，从而作出阶梯形重量曲线线，并并以以此此来来代代替替真真实实的的重重量量分分布布曲曲线线(如如图图)。37 按该方法求得的重量曲线与实际情况仍有按该方法求得的重量曲线与实际情况仍有差别，但不会对剪力和弯矩的计算带来明显差别，但不会对剪力和弯矩的计算带来明显的误差。所以，这种绘制重量曲线的方法是的误差。所以，这种绘制重量曲线的方法是足够精确的，但计算工作非常繁琐。足够精确的，但计算工作非常繁琐。38 1.重量分类与分布原则 1)重量分类 不变重量：船体结构、舾装设备、船体结构、舾装设备、(1)按变动分按变动分 机电设备等各项固定重量。机电设备等各项固定重量。变动重量：货物、燃油、淡水、粮货物、燃油、淡水、粮 食、旅客、压载等各项可变重量。食、旅客、压载等各项可变重量。总体性重量：即沿船体梁全长分布的重量。即沿船体梁全长分布的重量。包括：主体结构、油漆和索具等。包括：主体结构、油漆和索具等。(2)按分布分按分布分 局部性重量：即沿船长其一区段分布的重量。即沿船长其一区段分布的重量。如货物、燃油、淡水、粮食、机电设如货物、燃油、淡水、粮食、机电设 备、舾装设备等各项重量。备、舾装设备等各项重量。39 2)重量分布原则 对各项重量的分布规律处理时，必须对各项重量的分布规律处理时，必须遵循静遵循静力等效原则力等效原则，即 (1)保持重量的大小不变，即要使近似分布曲线所围的面保持重量的大小不变，即要使近似分布曲线所围的面积等于该项实际重量；积等于该项实际重量；(2)保持重量重心的纵向坐标不变，即应使近似分布曲线保持重量重心的纵向坐标不变，即应使近似分布曲线所围的面积形心纵坐标与该项重量的重心纵坐标相等；所围的面积形心纵坐标与该项重量的重心纵坐标相等；(3)近似分布曲线的范围与该项重量的实际分布范围相同近似分布曲线的范围与该项重量的实际分布范围相同或大体相同。或大体相同。最终，最终，应使重量曲线所围成的面积等于全船的应使重量曲线所围成的面积等于全船的重量，该面积的形心纵向坐标与船舶重心的纵向坐重量，该面积的形心纵向坐标与船舶重心的纵向坐标相同。标相同。403)局部重量分布的计算方法 局部重量系指分布在部分船长上的重量，如某机电设局部重量系指分布在部分船长上的重量，如某机电设备、燃油和淡水等。通常有以下几种情况。备、燃油和淡水等。通常有以下几种情况。(1)1)分布在两个理论站距内的重量分布在两个理论站距内的重量 如图所示，根据分布规则如图所示，根据分布规则(1)(1)、(2)(2)有：有：(1)由此可得由此可得 (2)然后将然后将P1和和P2除以理论站距长度除以理论站距长度 ，即可得到该项重，即可得到该项重量在两个理论站距内的分布载荷强度量在两个理论站距内的分布载荷强度p1和和p2。aii-1i-2PP1P241 (2)分布在三个站距内的载荷 分布在三个站距内的载荷有如下图所示的分布在三个站距内的载荷有如下图所示的三种情况：三种情况：PPPP1P2(a)(b)(c)a42 因为根据静力等效原则，只能列出二个方程式，因为根据静力等效原则，只能列出二个方程式，一般一般是根据具体情况，采用图是根据具体情况，采用图(a)、(b)、(c)的假定分布规律进行的假定分布规律进行分布。其中，对于分布。其中，对于(a)和和(b)情况，可以比较简单地利用静力情况，可以比较简单地利用静力等效原则直接列出二个方程式，从而求得不同理论站距内等效原则直接列出二个方程式，从而求得不同理论站距内的分布载荷强度；的分布载荷强度；对于对于(c)情况可以如下进行：情况可以如下进行：第一步第一步，以，以 代替代替 ，用式用式(1)求求P1、P2；第二步第二步，直接利用式，直接利用式(1)将将Pl和和P2分别向其相邻的两个理分别向其相邻的两个理论站距内分布；论站距内分布；第三步第三步，对中间理论站距迭加来自，对中间理论站距迭加来自P1和和P2的相应分配值，的相应分配值，最后，将各理论站距内分配得到的重量分别除以最后，将各理论站距内分配得到的重量分别除以 ，则得，则得到相应理论站距内的分布载荷强度。到相应理论站距内的分布载荷强度。43 (3)首、尾理论站外的重量首、尾理论站外的重量 有些船舶在首、尾理论站之外有相当长的延伸有些船舶在首、尾理论站之外有相当长的延伸部分。如尾突出体或球鼻首，其重量可能超过空船部分。如尾突出体或球鼻首，其重量可能超过空船重量的重量的1%，且突出部分超过理论站距一半之多。，且突出部分超过理论站距一半之多。把首、尾理论站之外的重量移到相邻的两个把首、尾理论站之外的重量移到相邻的两个理论站距内时，根据静力等效原则不改变其理论站距内时，根据静力等效原则不改变其重量大小及其对船中的力矩大小，故不致引重量大小及其对船中的力矩大小，故不致引起船中部弯矩的变化。起船中部弯矩的变化。具体按下图的方法进行分布。具体按下图的方法进行分布。44 根据力的平衡根据力的平衡 条件：条件：和对站距和对站距2处处 取矩，有取矩，有 -1012-1012aPP1P201192018aP181920P1P2可得可得45 对于在更长范围内分布的重量，均可按上述对于在更长范围内分布的重量，均可按上述方法处理，计算时只要将理论站距方法处理，计算时只要将理论站距 用分布范围用分布范围内的等分段长度代替即可。如，在内的等分段长度代替即可。如，在4个理论站距个理论站距内分布的重量，用分段长度内分布的重量，用分段长度 代替理论站代替理论站距。距。桅杆、绞车及横舱壁等集中重量，亦应在相应桅杆、绞车及横舱壁等集中重量，亦应在相应的的适适当当站站距距内内分分布布。如如果果该该项项重重量量不不超超过过船船舶舶重重量量的的1，则则可可认认为为其其均均匀匀分分布布在在相相应应理理论论站站距距内。内。46 4)总体重量的分布 船体重量的分布是绘制重量曲线的主要项船体重量的分布是绘制重量曲线的主要项目目之之一一。由由于于在在船船体体详详细细的的结结构构设设计计完完成成之之前前就就需需要要用用到到，此此时时，仅仅知知道道总总的的重重量量和和重重心心的的纵纵向向坐坐标标，因因此此就就更更需需要要用用近近似似的的、理理想想化化的的分分布布曲曲线线来来代代替替其其真真实实的的分分布布。几几种种常用的空船重量曲线的绘制方法有：常用的空船重量曲线的绘制方法有：梯形法梯形法、围长法围长法、库求莫夫法库求莫夫法、抛物线法抛物线法等。等。47(1)(1)梯形法梯形法 一些船舶往往中部丰满，两端尖瘦，且中部具有平行中一些船舶往往中部丰满，两端尖瘦，且中部具有平行中体，所以可以将船体和舾装重量近似地用图所示曲线表示。体，所以可以将船体和舾装重量近似地用图所示曲线表示。即平行中体部分用均匀的重量分布，而两端部分用两梯形分即平行中体部分用均匀的重量分布，而两端部分用两梯形分布布(通常为简化计算，三部分的长度均为船长的通常为简化计算，三部分的长度均为船长的(13)。L/3L/3L/3艏艉48 根据梯形面积等于船体及舾装的总重量根据梯形面积等于船体及舾装的总重量W，面积形，面积形心的纵向坐标与实际重量重心的纵向坐标一致的条心的纵向坐标与实际重量重心的纵向坐标一致的条件，可求得梯形形状参数件，可求得梯形形状参数a、b、c之间的关系为：之间的关系为：船体重心距船中的距离船体重心距船中的距离(中后为正中后为正)，m；L船长，船长，m。根据资料统计：根据资料统计：(1)瘦型船瘦型船b=1.195 (2)肥型船肥型船b=1.174 (重量相等重量相等)(形心与重心位置一致形心与重心位置一致)49(2)(2)围长法围长法 假假设设船船体体结结构构单单位位长长度度重重量量与与该该剖剖面面围围长长成成比比例例。该该方方法法适适用用于于船船主主体体结结构构重重量量的的分分布布。如如船船体体结结构构中中的的纵纵向向连连续续构构件件：甲甲板板、外外板板、内内底底板板、龙龙骨、纵桁以及横向的肋骨、肋板、横梁等的总重量骨、纵桁以及横向的肋骨、肋板、横梁等的总重量,可以按可以按与剖面围长与剖面围长(包括甲板包括甲板)成比例地分布。设距尾垂线成比例地分布。设距尾垂线x剖面处剖面处的单位长度的重量为的单位长度的重量为w(x)，则，则 船舶主体结构的总重量，船舶主体结构的总重量，kN；l(x)x剖面处包括甲板的围长，剖面处包括甲板的围长，m；A整个主船体的表面积，整个主船体的表面积，m2。50(3)(3)库求莫夫法库求莫夫法 船体的重量分布用下图所示的阶梯形曲线表示。对具有纵船体的重量分布用下图所示的阶梯形曲线表示。对具有纵通达上层建筑的大、中型客船，上层建筑结构重量亦可包通达上层建筑的大、中型客船，上层建筑结构重量亦可包括在内进行分布。图中的有关参数仍按静力等效原则求取，括在内进行分布。图中的有关参数仍按静力等效原则求取，具体结果列表给出。具体结果列表给出。g11gKL2g0参数 K gg0g1肥型船 41.18 (0.666-0.365)(0.666+0.365)瘦形船 31.18 (0.730-0.333)(0.730+0.333)51 船体重心距船中的距离船体重心距船中的距离(中后为正中后为正)，m；L船长，船长，m；G 整个船体的重量，整个船体的重量，Kn；K 平行中体一半长度为平行中体一半长度为 的倍数。的倍数。(4)(4)抛物线法抛物线法 假定船体和舾装品构成的重量曲线，可用抛曲线假定船体和舾装品构成的重量曲线，可用抛曲线和矩形之和采表示，如图。和矩形之和采表示，如图。艏艏艉艉L/2L/2AB0 xg2xgP抛物线抛物线修正后的重量曲线修正后的重量曲线D52 这种分布曲线对于无平行中体的船比较适合。作重量曲这种分布曲线对于无平行中体的船比较适合。作重量曲线时，把船体和舾装总重量的一半作为均匀分布；另一半按线时，把船体和舾装总重量的一半作为均匀分布；另一半按抛物线分布，则距船中处的单位长度的重量按下式计算抛物线分布，则距船中处的单位长度的重量按下式计算其中，其中，W船体和舾装重量总和船体和舾装重量总和(kN/m)，L船长船长(m)。用该式求得的重量曲线，首尾是对称的。但一般船体重心用该式求得的重量曲线，首尾是对称的。但一般船体重心并不在船中，因此须对上述重量曲线进行修正。修正方法如并不在船中，因此须对上述重量曲线进行修正。修正方法如上图所示。上图所示。(1)假定重心在中后假定重心在中后 处，取处，取OA=2W0/5，OD=W0(=3W/16L)；(2)将将A点沿水平方向移动到点沿水平方向移动到B点，令点，令 ，从抛物线顶点，从抛物线顶点D沿水平方向作直线，并与沿水平方向作直线，并与OB延延长线交于长线交于 ，则，则 点即为修正后的重量曲线的顶点。点即为修正后的重量曲线的顶点。53 由由 线上其它各点作线上其它各点作OB的平行线，并与由抛物线的平行线，并与由抛物线上相应的顶点所作的水平线相交，则由各交点连成上相应的顶点所作的水平线相交，则由各交点连成的曲线即为修正后的重量曲线。因为新抛物线下的的曲线即为修正后的重量曲线。因为新抛物线下的面积重心在中后面积重心在中后 处，由于该方法是按船体和舾装处，由于该方法是按船体和舾装总重量的一半计算，所以整个图形的重心在中后总重量的一半计算，所以整个图形的重心在中后 处。处。注意：注意：用以上各种近似方法绘制的重量曲线，只能用以上各种近似方法绘制的重量曲线，只能与与实实际际的的重重量量分分布布规规律律基基本本相相符符，如如有有准准确确的的资资料料，需需进进行行修修正正。而而对对于于形形状状复复杂杂的的特特种种船船舶舶，则则上述方法均不适用上述方法均不适用。54 在船体详细结构设计完成之后，可沿船长在船体详细结构设计完成之后，可沿船长选取若干个横剖面，计算其单位长度的重量选取若干个横剖面，计算其单位长度的重量,采用表格进行汇总计算，从而可得到如下图采用表格进行汇总计算，从而可得到如下图所示的较为精确的船体结构的重量分布曲线。所示的较为精确的船体结构的重量分布曲线。553 3 静水剪力静水剪力 和弯矩计算和弯矩计算56 静水剪力和弯矩的计算为载荷的一次积分和二次静水剪力和弯矩的计算为载荷的一次积分和二次积分，可按手工计算的方法采用计算机程序来完成。积分，可按手工计算的方法采用计算机程序来完成。1.1.浮力曲线浮力曲线 描述船舶在某装载情况下，浮力沿船长分布状况描述船舶在某装载情况下，浮力沿船长分布状况的曲线称为浮力曲线。浮力曲线的纵坐标为作用在的曲线称为浮力曲线。浮力曲线的纵坐标为作用在船体梁上单位长度的浮力值，与纵向坐标轴所围成船体梁上单位长度的浮力值，与纵向坐标轴所围成的面积等于作用在船体上的浮的面积等于作用在船体上的浮b(x)，该面积的形心，该面积的形心纵向坐标即为浮心的纵向位置。浮力曲线通按邦戎纵向坐标即为浮心的纵向位置。浮力曲线通按邦戎曲线求得。曲线