船舶结构与强度设计-第1章.pptx

在正常使用过程中和在一定寿命期内，结构抵抗破坏或不发生过大变形的能力。1 结构强度结构梁、柱、刚架、板架、桁架等结构强度满足要求是指：结构在正常使用过程中和在一定寿命期内具有不破坏或不发生过大变形的能力。结构强度不满足要求第一章 船舶结构强度第1节 结构强度概念 为什么要规定正常使用过程正常使用过程桥 梁正常使 用：桥面车辆载重量、桥墩轻微碰撞桥梁不正常使用：车辆过载、桥墩被严重碰撞为什么要规定一定寿命期内一定寿命期内结构要锈蚀、磨损、疲劳，承载能力逐渐降低，不可能无限期使用。为什么要规定不发生过大变形不发生过大变形什么情况会发生变形？结构变形有什么危害？吊车轨梁变形吊车不能正常工作。轿车厢变形不美观。2 如何计算结构强度（1 1）构件破坏形式）构件破坏形式 构件破坏形式：构件断裂材料达到强度极限300-400MPa拉杆断裂材料达到屈服极限200-260MPa拉杆明显变形 构件失稳什么情况下发生失稳？受压细长构件失稳后失去承载能力。受压薄板也可能失稳。为什么不允许结构发生失稳？(2)(2)如何判断构件是否破坏如何判断构件是否破坏应考虑两方面能力和要求（载荷）拉杆例子拉杆例子：直径20mm圆杆，吊重物5吨。材料能力允许最大应力235MPa，圆杆能力允许最大拉力235106N/M20.3.14210-4=74000N=7.5t要求（载荷）拉力5t拉杆安全！简简支支梁梁长L=4m，剖面模数W=692cm3,跨中集中载重P=5吨。能力根据允许最大应力235MPa计算允许最大集中载重P：能力最大集中载重P=16.5吨要求（载荷）载重P=5吨简支梁安全！实际判断结构是否破坏，看在外载荷作用下构件应力是否达到材料的屈服应力或者失稳的临界应力：y或e，并考虑留有裕量安全系数,即许用应力许用应力。计算结构中各构件应力结构分析例如：a.直径20mm圆杆，吊重物5吨。选择适当计算模型计算应力b.简易梁式起重机，主梁32a工字钢组成，跨距4m，起重设备0.5吨，最大起重量5吨。跨中弯矩最大，计算跨中最大弯曲应力：c.直径50mm、壁厚5mm钢管支柱，两端简支，长L=5m。I=196cm4，支柱压力5吨。柱临界载荷：柱临界压应力：实际压应力：支柱失稳破坏！许用应力许许用用应应力力：在预计的载荷作用下构件允许承受的最大应力。许用应力=材料破坏极限应力/安全系数安全系数大于1为什么要留安全系数？载荷不准确 计算不准确结构能力不准确 计算不准确、结构尺寸不准确、材料和结构有缺陷、结构老化等结构能力留有裕量拉杆例子圆杆能力=y圆杆面积影响圆杆能力的因素：你能保证：y235MPa，圆杆直径20mm焊接质量（如果圆杆长需要焊接）影响圆杆载荷的因素：你能保证：重物不超过5吨？这些不定因素用安全系数来解决。构件材料破坏极限应力通常取屈屈服服应应力力。对于受压缩作用细长杆或薄板，极限应力通常取失稳的临临界应力界应力。安全系数具体数值通常依据有关规范确定。一般情况，不定因素大则安全系数大不定因素大则安全系数大。强度计算过程总结确定载荷建立计算模型计算应力选取许用应力计算模型包括载荷和结构两方面载荷：大小，静力还是动力，集中还是分布？结构：单跨杆或梁，刚架或板架，平面或空间？如何选取许用应力？第2节 结构设计与强度关系 1 1 结构设计结构设计 选择材料：钢、木选择轧制型材（工字钢、槽钢、圆管）或组合型材剖面形状（工字形）剖面尺寸（轧制型材尺寸，工字钢面板宽度和厚度，腹板高度和厚度）如何确定这些参数？综合各种因素：使用性、安全和经济性 安全考虑使用期间不能坏设计实质是在保证安全和使用要求的前提下，合理确定：材料、结构形式、构件尺寸和构件连接等。合理？省材料、便于建造和维护等2 2强度分析在结构设计中的作用强度分析在结构设计中的作用保证所设计的结构在使用期间不能坏，就必须进行强度分析。先拟定结构尺寸，然后进行校核强度分析，以检验所设计的结构是否安全，材料使用是否合理。如果分析发现结构不安全或材料浪费，则修改设计，重新进行结构强度分析，直到设计满意为止。强度分析在结构设计中的作用检验所设计的结构是否安全，材料使用是否合理。如，如果结构应力超过许用应力，结构不安全。如果应力很小，虽然结构安全，但材料可能浪费。如何修改设计？第3节 船舶结构强度特点1.船体结构的作用实现船舶功能的基础：为船上货物、机械设备提供装载平台、为船上人员提供生活和工作场所。船体结构会受到各种外力的作用：重力：货物、设备、油水以及结构水作用力：浮力，波浪动力意外作用力：碰撞、触礁、搁浅和爆炸等 在这些外力作用下，船体结构会产生多大的变形，船体结构会产生多大的变形，是否会产生断裂破坏，这是造船工程师必须回答的问是否会产生断裂破坏，这是造船工程师必须回答的问题题。船体在正常使用过程中和在一定寿命期内具有不破坏或不发生过大变形的能力，以保证船舶能正常工作。为了使船舶能在其寿命期内正常工作，船体必须具备足够的强度。船体强度的任务是研究船体结构抵抗破坏的能力和变形的规律。2船体强度3船体结构受力和传力过程局部力作用对结构局部和总体产生的影响 根据的研究内容，船体强度可分为船体结构整体根据的研究内容，船体强度可分为船体结构整体强度或总体强度和局部强度。强度或总体强度和局部强度。（1 1）总强度）总强度船体结构在波浪中整体弯曲(纵向弯曲、横向弯曲)或扭转破坏是船体结构整体破坏的主要形式。把把船船体体作作为为一一个个整整体体来来研研究究其其强强度度。船船体体整整体体可可看作一根梁，总强度又称船体梁强度。看作一根梁，总强度又称船体梁强度。船体纵向弯曲包括垂直和水平弯曲，垂直弯曲有中拱和中垂弯曲。什么情况下发生水平弯曲、扭转？什么情况下发生水平弯曲、扭转？横摇过程产生水平弯曲船在斜浪中航行，两舷作用力不平衡，使船体产生扭转。除了大开口集装箱船，油船和军舰等抗扭强度足够，一般不必考虑扭转强度。（2）局部强度）局部强度 局部载荷引起局部结构变形，有可能造成局部结构局部载荷引起局部结构变形，有可能造成局部结构破坏，属于局部强度问题。破坏，属于局部强度问题。船体结构局部强度包括：甲板结构度、舷侧结构强度、船底结构强度、舱壁结构强度，桅杆结构强度、尾轴架结构强度等。局部强度特点是，仅考虑局部结构对载荷的响应，其应力不考虑与总强度问题的应力叠加。局部强度又分为板的强度、纵骨(骨架梁)强度和板架强度。船体局部强度计算，把船体分离成板架、框架、连续梁和板来计算。现在大都采用有限元方法计算。（3）纵向强力构件分类）纵向强力构件分类船体构件的多重作用特点船体构件的多重作用特点同一构件在受力和传递力过程中可能受到多种力的作用，产生多种应力。船体构件中应力分为：总纵弯曲应力1 板架弯曲应力2 纵骨弯曲应力3 板格弯曲应力4纵骨架式船底板直接承受水压力作用，产生板格弯曲应力4板将水压力传递给纵骨，纵骨产生弯曲变形，与纵骨相连的外板随纵骨一起弯曲，产生弯曲应力 3纵骨又将载荷传递给肋板和底纵桁，使船底板架产生弯曲变形，并在船底板中产生板架弯曲应力2在船底板中还有总纵弯曲应力1纵向强力构件分类纵向强力构件分类 为了简化计算，根据构件受力特点，强度计算中将纵向强力构件分成四类：只承受总纵弯曲的纵向构件，称为第l类构件，如不计甲板横荷重的上甲板；同时承受总纵弯曲和板架弯曲的纵向构件，称为第2类构件，如船底纵桁；同时承受总纵弯曲、板架弯曲及纵骨弯曲的纵向构件，称为第3类构件，如纵骨架式船底纵骨；同时承受总纵弯曲、板架弯曲、纵骨弯曲及板格弯曲的纵向构件，称为第4类构件，如纵骨架式的船底外板4 4 船体结构强度计算内容 结结构构强强度度包包括括总总强强度度和和局局部部强强度度。强强度度计计算算要要解解决决3 3个问题：个问题：确确定定外外力力（载载荷荷）、计计算算内内力力或或变变形形、选选择择强强度度标准校核结构强度标准校核结构强度。船体结构所受外力主要有 重力：货物、燃料和水、船体自重 水作用力：静水压力、波浪动压力、砰击力 根据不同结构及其强度要求，其外力选取有所不同。第二章船体总强度第1节材料力学梁理论复习1.梁理论 船体总强度计算把船体看作一根梁。弯曲应力剪切应力2 剖面惯性矩 I 计算矩形剖面惯性矩组合剖面惯性矩列表计算参考轴取面板上表面。零件编号尺寸mm剖面积cm2距参考轴距离cm对参考轴一次矩cm3对参考轴二次矩cm4自身惯性矩cm411802036136361224201667.2231545.635548.89878.438002016045720032400053.3求和263.2-8781.6369528.5ABC总面积：A=263.2cm2对参考轴一次矩：B=8781.6cm3对参考轴二次矩：C=369463.2+65.3=369528.5cm4中性轴距参考轴：E=B/A=33.4cm对中性轴惯性矩：I=CA*E2=76532.7cm4对面板上表面剖面模数：W=I/E=2294cm3如果不考虑面板和带板自身惯性矩65.3cm3，则C1=369463.2cm4I1=C1A*E2=76467.4cm4对面板上表面剖面模数：W1=I1/E=2292cm3对面板上表面剖面模数精确值W=2294cm3误差2/2292=0.09%3 应力计算如果梁弯矩M=275kNm,剪力Q=380kN。最大弯曲应力：中和轴处腹板剪应力最大。中和轴以上剖面对中和轴静矩：S=33.41.633.4/2+36(33.4+1)=892.4+1238.4=2130.8cm3中和轴处腹板剪应力作业：梁剖面如图。梁作用弯矩M=150000Nm,列表计算剖面模数，计算面板上表面和带板下表面弯曲应力。