船体强度与结构设计课程设计.docx

目录

一、课程设计内容及资料 - 1 -
1、课程设计任务书 - 1 -
2、课程设计主要内容 - 1 -
3、船舶设计资料 - 1 -
二、船舶剪力与弯矩计算 - 2 -
1、主要数据 - 2 -
2、参考资料 - 2 -
3、计算状态 - 2 -
4、波型和波浪参数选择 - 2 -
5、压载出港状态的弯矩和剪力的计算 - 3 -
三、船舶总纵强度计算 - 10 -
1、计算依据 - 10 -
2、船体总纵弯曲正应力计算 - 11 -
3、船体总纵弯曲剪应力计算 - 14 -
4、船体中剖面极限弯矩计算 - 16 -

一、课程设计内容及资料
1、课程设计任务书
综合应用船舶与海洋结构物强度的有关知识，完成船舶船体中剖面的结构设计，并按相关规范要求进行总纵强度的校核。

2、课程设计主要内容
（一）、根据相关规范要求完成船舶舯剖面结构设计
（二）、船体总纵强度的校核
1、船舶在静水中平衡位置的确定
2、船舶在波浪中平衡位置的确定
3、船舶重量分布曲线的确定
4、船舶浮力分布曲线的确定
5、船舶载荷分布曲线的确定
6、船舶剪力和弯矩分布曲线的确定
7、剖面特性计算
8、许用应力的确定
9、总纵弯曲应力校核
10、极限强度校核

3、船舶设计资料
船舶主尺度：
总长：
设计水线长：
垂线间长：
计算船长：
型宽：
型深：
设计吃水：
方型系数：
二、船舶剪力与弯矩计算
1、主要数据
船舶计算长度（垂线间长） L=115.50m
船宽 B=19.50m
海水比重 γ=1.025tf/m³
2、参考资料
1) 全船重量分布汇总表
2) 静水力曲线图
3) 邦戎曲线图
3、计算状态
本计算中取压载出港状态进行计算
排水量 Δ=5826.25t
重心纵坐标
平均吃水
浮心纵坐标
漂心纵坐标
水线面积
Aw=1537.56m²
纵稳心半径
R=176.04m²
4、波型和波浪参数选择
波长 = L=115.50m
波高 h=4.0m
坦谷波垂向坐标值采用余弦级数展开式计算

各理论站从坦谷波面到波轴线垂向坐标值经计算列入表1：
r=h/2=2.0m
表1： 值
中垂站号
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
x/λ
0.5
0.55
0.6
0.65
0.7
0.75
0.8
0.85
0.9
0.95
1
yB
-2
-1.881
-1.543
-1.033
-0.421
0.218
0.815
1.318
1.693
1.923
2
中拱站号
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
20
19
18
17
16
15
14
13
12
11
10
注：表中yB值由波轴线向下为正，向上为负值。
5、压载出港状态的弯矩和剪力的计算
1) 船舶纵倾调整
a) 船舶在静水中平衡位置的确定
第一次近似：
首吃水：=4.531m
尾吃水：=3.938m
排水体积：=5826.25/1.025=5684.15m³

第二次近似：
首吃水： = 4.729m

尾吃水： = 3.868m

具体计算过程见表2：

表2：船舶在静水中平衡位置的计算
理论站号
力臂系数
第一次近似
第二次近似

首吃水df=
4.531
尾吃水da=
3.938
首吃水df=
4.729
尾吃水da=
3.868

横剖面浸水面积ωi m²
力矩函数Mi=(2)*(3)m²
横剖面浸水面积ωi m²
力矩函数Mi=(2)*(5)m²
1)
2)
3)
插值
4)
5)
插值
6)
0
-10
0
0
0
0
0
0
1
-9
3.4625
118.9625
-31.1625
3.3294
118.8294
-29.9646
2
-8
14.4258
245.4258
-115.4064
14.1264
245.1264
-113.0112
3
-7
27.9454
374.4454
-195.6178
27.6225
374.1225
-193.3575
4
-6
42.9207
504.9207
-257.5242
42.7545
504.7545
-256.527
5
-5
54.2928

-271.464
54.30345

-271.51725
6
-4
65.6649
758.6649
-262.6596
65.8524
758.8524
-263.4096
7
-3
71.25345

-213.76035
71.5087

-214.5261
8
-2
76.842
1000.842
-153.684
77.165
1001.165
-154.33
9
-1
78.24125

-78.24125
78.94

-78.94
10
0
79.6405
1234.6405
0
80.715
1235.715
0
11
1
78.5345

78.5345
79.838

79.838
12
2
77.4285
1463.4285
154.857
78.961
1464.961
157.922
13
3
71.14635

213.43905
72.7232

218.1696
14
4
64.8642
1681.8642
259.4568
66.4854
1683.4854
265.9416
15
5
53.3837

266.9185
55.0568

275.284
16
6
41.9032
1889.9032
251.4192
43.6282
1891.6282
261.7692
17
7
29.9553
1993.4553
209.6871
31.1566
1994.6566
218.0962
18
8
19.697
2098.697
157.576
20.9942
2099.9942
167.9536
19
9
11.135
2205.635
100.215
13.435
2207.935
120.915
20
10
9.0607
2319.0607
90.607
9.7501
2319.7501
97.501
∑
971.79775
203.19005
988.34585
287.80695
修正值
4.53035
45.3035
4.87505
48.7505
修正和
967.2674
157.88655
983.4708
239.05645
Vi=ΔL∑ωi
5585.969235
m³
5679.54387
m³
xbi=ΔL∑Mi/∑ωi
0.942650219
m
1.403753928
m
(V0-Vi)/V0
1.73%
0.081%
(xg-xbi)/L
0.35%
-0.02%
注：表中各站的横剖面浸水面积由邦戎曲线图查得。

b) 船舶在波浪上平衡位置的确定
用麦卡尔法计算船舶在波峰时的平衡位置。
取静水平衡线（df0=4.729 m，da0=3.868 m）作为波轴线，按波峰在船中，由邦戎曲线图上量出浸水面积ωi，再取ε=-1m，即波轴线向下移动1m，量出各站横剖面浸水面积ωbi，根据表3计算波轴线移动参数ζ0和b。
表3：船舶在波峰上平衡位置的计算
理论站号
静水波面浸水面积ωi
移轴波面浸水面积ωbi
(3)-(2)
力臂系数
(2)*(5)
(4)*(5)
(4)*(5)²

m²
m²
m²
k
m²
m²
m³
1)
2)
坐标插值
3)
坐标插值
4)
5)
6)
7)
8)
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
1.3924
116.892
0.707
116.207
-0.685
1
1.392
-0.6854
-0.685
2
7.1456
238.145
3.8141
234.814
-3.3315
2
14.291
-6.663
-13.326
3
18.5713
365.071
11.297
357.797
-7.2734
3
55.7139
-21.8202
-65.4606
4
37.2029
499.202
24.940
486.940
-12.262
4
148.8116
-49.0496
-196.198
5
58.9196

43.708

-15.211
5
294.5982
-76.0567
-380.283
6
80.6364
773.636
62.476
755.476
-18.160
6
483.8184
-108.961
-653.770
7
95.5731

76.752

-18.820
7
669.0120
-131.742
-922.197
8
110.509
1034.50
91.029
1015.02
-19.480
8
884.0792
-155.843
-1246.74
9
115.19035

95.700

-19.49025
9
1036.71315
-175.41225
-1578.71025
10
119.8708
1274.8708
100.3707
1255.3707
-19.500
10
1198.708
-195.001
-1950.01
11
115.919

96.474

-19.444
11
1275.109
-213.885
-2352.73
12
111.967
1497.96
92.579
1478.57
-19.388
12
1343.606
-232.657
-2791.88
13
96.4370

78.116

-18.320
13
1253.681
-238.169
-3096.19
14
80.9069
1697.90
63.653
1680.65
-17.253
14
1132.696
-241.546
-3381.64
15
59.7589

45.418

-14.340
15
896.3835
-215.109
-3226.63
16
38.6109
1886.61
27.183
1875.18
-11.427
16
617.7744
-182.846
-2925.54
17
22.1733
1985.67
14.152
1977.65
-8.021
17
376.9461
-136.357
-2318.06
18
11.6203
2090.62
6.7533
2085.75
-4.867
18
209.1654
-87.606
-1576.90
19
5.8148
2200.31
3.1006
2197.60
-2.7142
19
110.4812
-51.5698
-979.826
20
3.6804
2313.68
1.7902
2311.79
-1.8902
20
73.608
-37.804
-756.08
∑
1191.9012
940.01865
-251.8825

12076.5904
-2558.7855
-30412.9161

式中
经整理： ζ0
ζ0
联立方程式，解得 ζ0=-0.92m， b=0.188m
首吃水： df0ζ0
尾吃水： da0ζ0

求出平衡位置后，即可从邦戎曲线上量出船舶处于平衡位置时横剖面浸水面积，如表4：
表4：船舶平衡位置的计算结果

理论站号
力臂系数
静水
波峰

df=4.729
da=3.868
df=3.999

da=2.948

横剖面浸水面积ωi
力矩函数Mi=(2)*(3)m²
横剖面浸水面积ωi

力矩函数Mi=(2)*(5)m²

1)
2)
3)
4)
5)
坐标插值
6)
0
-10
0
0
0
0
0
1
-9
3.3294
-29.9646
0.765
116.265
-6.885
2
-8
14.1264
-113.0112
4.1114
235.1114
-32.8912
3
-7
27.6225
-193.3575
12.0164
358.5164
-84.1148
4
-6
42.7545
-256.527
26.293
488.293
-157.758
5
-5
54.30345
-271.51725
45.61435

-228.07175
6
-4
65.8524
-263.4096
64.9357
757.9357
-259.7428
7
-3
71.5087
-214.5261
79.553

-238.659
8
-2
77.165
-154.33
94.1703
1018.1703
-188.3406
9
-1
78.94
-78.94
99.03105

-99.03105
10
0
80.715
0
103.8918
1258.8918
0
11
1
79.838
79.838
100.17585

100.17585
12
2
78.961
157.922
96.4599
1482.4599
192.9198
13
3
72.7232
218.1696
81.9276

245.7828
14
4
66.4854
265.9416
67.3953
1684.3953
269.5812
15
5
55.0568
275.284
48.6359

243.1795
16
6
43.6282
261.7692
29.8765
1877.8765
179.259
17
7
31.1566
218.0962
16.0262
1979.5262
112.1834
18
8
20.9942
167.9536
7.9293
2086.9293
63.4344
19
9
13.435
120.915
3.8085
2198.3085
34.2765
20
10
9.7501
97.501
2.2111
2312.2111
22.111
∑
988.34585
-1445.75
984.82815
167.40925
修正值
4.87505
-32.175
1.10555
11.0555
修正和
983.4708
-1413.57
983.7226
156.35375
Vi=ΔL∑ωi
5679.54387
5680.998015
xbi=ΔL∑Mi/∑ωi
1.403753928
0.917883666
(V0-Vi)/V0
0.08%
0.06%
(xg-xbi)/L
-0.02%
0.37%

2) 剪力、弯矩计算
a) 重量曲线
根据每一站内重量均匀分布的原则，把整个船的重量按照站位进行分配。
首先进行空船重量的分配计算。根据船舶外形，按梯形法分布计算，即空船重量近似的用梯形曲线表示，船中重量分配多一些，首尾重量分配少一些。

该船长宽比L/B≈6，属于瘦型船舶，取b=1.195，于是有

压载出港时，空船重量W=2561.67t，则：

=26.5039
=11.5375
进而获得船舶空船重量曲线分布，如图1：
图1： 船舶空船重量曲线分布

再分配载重量。货物重量根据货物重心在船舶总方向不变的原则，利用重量平衡和重量矩平衡原理求出每个站区对应的货物重量，其中每个站区所包含的站中分得的货物重量是均匀分布的。
由船舶布置图（图2）和压载出港载况下重量分布表可知，本次计算规定0站在0肋位，20站在163肋位，设ΔL是货物所跨站间距离的一半，P是货物或者油水等重量，a是重物重心距所跨站距中心的距离（偏向船首为正，反之为负）。
图2： 船舶布置图

艉 —Fr11：600mm； F11:6.6
Fr11—Fr39：700mm； F39:26.2
Fr39—Fr112：750mm； F112:80.95
Fr112—Fr151：700mm； F151:108.25
Fr151—艏：600mm: 115.45

压载出港载况下重量分布：
No.3 压载出港
项 目 重量 重心高度 重心纵标 垂向力矩 纵向力矩 液面力矩
ITEM weight, t KG, m L.C.G., m V.M., t-m L.M., t-m Mfs, t-m
空船 light ship 2561.67 7.329 -8.121 18774.5 -20803.3 0.0
船员和行李3.10 13.620 -36.131 42.2 -112.0 0.0
粮食14.34 13.306 -33.650 190.8 -482.5 0.0
货物 No.1 货舱 /Fr111-131 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0
货物 No.2 货舱 /Fr75-111 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0
货物 No.3 货舱 /Fr39-75 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0
货物 No.4 货舱 /Fr2-22 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0
小计0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0
轻油舱 /P/F31-38 20.58 1.120 -34.559 23.1 -711.6 20.0
轻油舱 /S/F31-38 25.62 1.120 -34.554 28.7 -885.3 24.0
日用轻油舱 /F22-33 4.19 11.690 -43.100 49.0 -180.6 0.0
小计50.39 1.999 -35.267 8.4 -147.8 44.0
No.2 重油舱 /P/F39-75 151.94 0.523 -18.022 79.5 -2738.3 412.0
No.3 重油舱 /P&S/F39-48 80.73 4.740 -27.812 382.7 -2245.3 0.0
日用重油舱 /P/F23-31 31.51 11.690 -39.950 368.4 -1258.8 0.0
小计264.18 3.144 -23.629 99.1 -744.6 412.0
滑油储存柜 /S/F13-22 14.65 7.050 -46.390 103.3 -679.6 0.0
滑油循环柜 /C/F24-34 19.19 1.120 -38.550 21.5 -739.8 0.0
小计33.84 3.687 -41.944 70.8 -804.9 0.0
首尖舱 F/151-165 183.81 4.065 55.201 747.2 10146.5 0.0
No.1 压载水舱 /P&S/F141-151 246.80 3.880 46.654 957.6 11514.2 0.0
No.2 压载水舱 /P&S/F131-141 91.30 1.350 39.760 123.3 3630.1 0.0
No.3 压载水舱 /P&S/F111-131 201.82 0.810 28.810 163.5 5814.4 0.0
No.4 压载水舱 /P&S/F93-111 193.87 0.840 15.330 162.9 2972.0 0.0
No.5 压载水舱 /P&S/F75-93 231.54 0.840 2.168 194.5 502.0 0.0
No.6 压载水舱 /P&S/F38-75 368.33 0.840 -16.541 309.4 -6092.5 0.0
No.7 压载水舱 /P&S/F48-57 132.86 4.760 -21.280 632.4 -2827.3 0.0
No.2 边压载水舱 /P&S/F131-141 131.17 5.190 39.572 680.8 5190.7 0.0
No.3 边压载水舱 /P&S/F111-131 354.77 4.740 29.814 1681.6 10577.1 0.0
No.4 边压载水舱 /P&S/F93-111 239.45 4.740 17.115 1135.0 4098.2 0.0
No.5 边压载水舱 /P&S/F75-93 222.82 4.740 2.201 1056.2 490.4 0.0
No.6 边压载水舱 /P&S/F57-75 212.81 4.740 -11.273 1008.7 -2399.0 0.0
小计2811.35 3.149 15.515 670.1 3301.6 0.0
淡水舱 P&S 80.88 9.456 -57.727 764.8 -4669.0 16.3
污油舱6.50 0.675 -43.434 4.4 -282.3 0.0
结冰0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0
载重量 deadweight 3264.58 3.342 8.771 10911.1 28632.1 472.3
排水量 displacement 5826.25 5.095 1.344 29685.6 7828
将各部分重量P分解而得的P1和P2解出后按其所跨站的数量进行均布分配。
b) 船舶在静水中剪力和弯矩计算
c) 船舶在波峰中剪力和弯矩计算

得：
波峰状态最大剪力：N=932.1058 tf 最大弯矩M=12451.58 tfm

三、船舶总纵强度计算
1、计算依据
本次计算取船中附近73号肋骨剖面进行总纵强度计算。

1) 参考图纸和计算书
a) 基本结构图
b) 典型横剖面图
c) 弯矩和剪力计算书

2) 计算载荷
计算弯矩：
计算剪力：

3) 船体材料
计算剖面的所有材料均采用高强度低合金钢材，屈服极限。
4) 许用应力
a) 总纵弯曲许用应力
b) 总纵弯曲与板架局部弯曲合成应力的许用应力
i. 板架跨中
ii. 横舱壁处
c) 许用剪应力
2、船体总纵弯曲正应力计算
1. 总纵弯曲正应力第一次近似计算
73号肋骨剖面参与总纵弯曲的构件如典型剖面图所示。

图8: 73号肋位剖面典型剖面图（见下页）

表5：总纵弯曲正应力第一次近似计算表

构件名称
构件尺寸,mm
数量
构件剖面积Ai,cm²
距参考轴距离Zi,m
静力矩 5)×6), cm²·m
惯性矩 6)×7), cm²·m²
自身 惯性矩, cm²·m²
构件至中和轴距离Zi',m
中拱时总纵弯曲正应力σi
σE, kgf/cm²
L
B
1）
2）
3）
4）
5）
6）
7）
8）
9）
10）
11）
12）
梁侧板
2100
15
1
315
11.25
3543.75
39867.19
115.7625
6.59794
292.7605
>σs
梁顶板
15
500
0.5
37.5
12.3
461.25
5673.375
0.001406
7.64794
339.3506
>σs
梁底板
15
500
0.5
37.5
10.2
382.5
3901.5
0.001406
5.54794
246.1705
>σs
梁加强筋
8
160
1
12.8
11.6
148.48
1722.368
6.83E-05
6.94794
308.2906
2100
梁加强筋
8
160
1
12.8
10.9
139.52
1520.768
6.83E-05
6.24794
277.2305
2100
围板面板
13
300
1
39
12.3
479.7
5900.31
0.000549
7.64794
339.3506
1577
围板加强筋
8
160
1
12.8
11.6
148.48
1722.368
6.83E-05
6.94794
308.2906
2100
围板加强筋
8
160
1
12.8
10.9
139.52
1520.768
6.83E-05
6.24794
277.2305
2100
舱口围板
2100
18
1
378
11.25
4252.5
47840.63
138.915
6.59794
292.7605
>σs
上甲板
28
1500
1
420
10.2
4284
43696.8
0.02744
5.54794
246.1705
>σs
舷侧外板
2900
28
1
812
8.75
7105
62168.75
569.0767
4.09794
181.8318
>σs
舷侧内板
2900
15
1
435
8.75
3806.25
33304.69
304.8625
4.09794
181.8318
>σs
二层甲板
9
1500
1
135
7.3
985.5
7194.15
0.000911
2.64794
117.4931
450
甲板纵骨
300
25
1
75
10.05
753.75
7575.188
0.5625
5.39794
239.5147
>σs
舷侧加强筋
20
200
2
80
9.475
758
7182.05
0.001333
4.82294
214.0011
>σs
舷侧加强筋
8
160
2
25.6
8.025
205.44
1648.656
6.83E-05
3.37294
149.6624
2100
舷侧加强筋
8
160
2
25.6
8.75
224
1960
6.83E-05
4.09794
181.8318
2100
纵舱壁
3400
8
1
272
5.6
1523.2
8529.92
262.0267
0.94794
42.06152
250
纵舱壁
2400
9
1
216
2.7
583.2
1574.64
103.68
-1.95206
-86.6159
347
舷侧板
3400
15
1
510
5.6
2856
15993.6
491.3
0.94794
42.06152
880
舷侧板
2400
15
1
360
2.7
972
2624.4
172.8
-1.95206
-86.6159
964
舷侧平台
8
1500
1
120
3.9
468
1825.2
0.00064
-0.75206
-33.37
356
内底板
12
1500
1
180
1.5
270
405
0.00216
-3.15206
-139.862
800
舭龙骨
5
100
1
5
0.75
3.75
2.8125
1.04E-05
-3.90206
-173.14
2100
舭列板
15
1500
1
225
0.75
168.75
126.5625
0.004219
-3.90206
-173.14
>σs
外底板
15
8250
1
1237.5
0
0
0
0.023203
-4.65206
-206.419
1901
内底板
11
8250
1
907.5
1.5
1361.25
2041.875
0.009151
-3.15206
-139.862
1022
外底纵骨
240
10
9
216
0.12
25.92
3.1104
0.1152
-4.53206
-201.094
1458
内底纵骨
220
10
9
198
1.39
275.22
382.5558
0.088733
-3.26206
-144.743
1736
旁桁材
1500
12
3
540
0.75
405
303.75
33.75
-3.90206
-173.14
>σs
中桁材
1500
12
0.5
90
0.75
67.5
50.625
33.75
-3.90206
-173.14
>σs
工字梁翼板
250
15
1
37.5
6.432
241.2
1551.398
0.195313
1.77994
78.97862
>σs
工字梁腹板
500
20
0.5
50
6.432
321.6
2068.531
2.083333
1.77994
78.97862
>σs
∑

8030.9

37360.23
314112.57

计算时取基线为参考轴，则有中和轴距参考轴的距离为
=
4.65206
m
船体中剖面对水平中和轴的惯性矩为
=
280621.1
cm²·m²
剖面上的应力为

2. 欧拉应力计算
1) 板的欧拉应力计算

表6：纵骨架式板格（四边自由支持）欧拉应力计算σE=800(100t/b)²

构件名称
短边b,cm
板厚t,cm
(100t/b)²
σE
梁侧板
70
1.5
4.592
3673
舱口围板
70
1.8
6.612
5290
上甲板
75
2.8
13.938
11150
舷侧外板
72.5
2.8
14.916
11932
舷侧内板
72.5
1.5
4.281
3424
舭列板
75
1.5
4.000
3200
外底板
97.3
1.5
2.377
1901
外底板
88.7
1.5
2.860
2288
外底板
89
1.5
2.841
2272
内底板
97.3
1.1
1.278
1022
内底板
88.7
1.1
1.538
1230
内底板
89
1.1
1.528
1222

表7：横骨架式板格（四边自由支持）欧拉应力计算σE=200(100t/s)²(1+s²/b²)²

构件名称
短边s,cm
长边b,cm
板厚t,cm
[100t/s(1+s²/b²)]²
σE
二层甲板
75
150
0.9
2.250
450
纵舱壁
75
340
0.8
1.251
250
纵舱壁
75
240
0.9
1.735
347
舷侧板
75
340
1.5
4.399
880
舷侧板
75
240
1.5
4.819
964
舷侧平台
75
150
0.8
1.778
356
内底板
75
150
1.2
4.000
800
2) 纵桁局部稳定性计算

表8： 自由翼板（面板三边自由支持一边完全自由）欧拉应力计算σE=84(100t/b)²

构件名称
长边a,cm
短边b,cm
板厚t,cm
(100t/b)²
σE
梁加强筋
75
16
0.8
25
2100
梁加强筋
75
16
0.8
25
2100
围板面板
75
30
1.3
18.78
1577
围板加强筋
75
16
0.8
25
2100
围板加强筋
75
16
0.8
25
2100
甲板纵骨
75
30
2.5
69.44
5833
舷侧加强筋
75
20
2
100
8400
舷侧加强筋
75
16
0.8
25
2100
舷侧加强筋
75
16
0.8
25
2100
舭龙骨
75
10
0.5
25
2100
外底纵骨
75
24
1
17.36
1458
内底纵骨
75
22
1
20.66
1736
工字梁翼板
75
25
1.5
36
3024

表9：纵桁腹板（四边自由支持）欧拉应力计算σE=800(100t/b)²

构件名称
长边a,cm
短边b,cm
板厚t,cm
(100t/b)²
σE
梁顶板
75
50
1.5
9
7200
梁底板
75
50
1.5
9
7200
旁桁材
75
15
1.2
64
51200
中桁材
75
15
1.2
64
51200
工字梁腹板
75
50
2
16
128