船舶强度与结构设计授课教案第四章应力集中模块.docx

船舶强度与结构设计_授课教案_第四章应力集中模块 第四章应力集中模块 一、应力集中及应力集中系数 在船体结构中，构件的间断往往是不可避免的。间断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。 由于船体在波浪上的总纵弯曲具有交弯的特性，应力集中又具有三向应力特性，严重的应力集中更易于引起局部裂纹和促进裂纹的逐渐扩展。第二次世界大战中和大战后，由于结构开口引起应力集中从而产生裂缝导致船体折断的事故占整个船体结构海损事故总数中的极大部分。因此，在第二次世界大战后，关于船体结构的应力集中问题，曾引起了造船界的普遍重视，开展了大量的研究工作。现在，对这个问题已经有了比较清楚地了解。 由于应力集中是导致结构损坏的一个重要原因，结构设计工作者在设计中必须始终注意这个问题。再进一步对船体结构中比较突出的几个应力集中问题及该区域的结构设计作一些介绍。 通常，用应力集中系数来表示应力集中的程度。应力集中区的最大应力?max或?max分别与所选基准应务?0或?0之比值，即 k?max?或k?max ?0?0 （1） 称为应力集中系数。基准应力不同，应力集中系数也不同。所以，给定应力集中系数时，应指明基准应力的取法。 间断构件的应力变化规律以及应力集中系数的大小很大程度上决定于这些构件的形状。目前，已经能够确定各种形状的间断构件的应力集中系数。 二、开口的应力集中及降低角隅处应力集中的措施 在大型船舶上，强力甲板上的货舱口、机舱口等大开口，都严重地破坏了船体结构的连续性。当船舶总纵弯曲时，在甲板开口角隅外的应力梯度急剧升高，引起严重的应力集中，造成船体结构的薄弱环节。关于舱口角隅处应力集中的确定，导致去除方角而采用圆弧形角隅，并在角隅处采用加复板或厚板进行加强，同时要采用IV级或V级的材料。 1.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（见下图）。应用弹性理论可求得A、B两点的应力分别为： a?A?(1?2)?p?B? 2b（2） 22a与2b分式中?为无限远处的拉伸应力；?b/a为椭圆孔在A点的曲率半径； 别为垂直及平行于拉伸方向的椭圆主轴，负号代表压应力。 若以离开椭圆孔无限远处的拉伸应力作为基准应力，则A点的应力集中系数为： aA?1?2a p （3） 式（3）可推广到圆形开孔，此时a?b,故aA?3.0。此外，还可推广应用到钢板中的裂缝（见下图）。假设在甲板上沿船宽方向出现裂缝，裂缝长为a,宽为b。当a/b?100时，aA?201，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。这就是为何在以前建造的船舶舷边设置铆接的舷边角钢能止裂的原因。 （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，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，如下图所示。由图可看出，角2b ? 隅圆弧半径与开口宽度b之比是影响应力集中的主要因素。b?0.1时，应力? 集中系数急剧增大，但当b 结果也是一致的。 ?0.2时，应力集中系数不再变化，这与光弹性试验 4321舱口角隅采用椭圆形或抛物线形，且长轴沿船长方向，进一点改善了过渡方式，这时的应力集中系数比采用圆弧形的应力集中系数低。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%。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。因此，这两种形式的角隅不仅结构更合理，而且工艺更简单。 rb 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 （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。 （2）降低开口应力集中的结构措施 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（现海船规范已放宽到1/20）。但是，过大的圆角半径会使舱口有效面积减少，从而影响装卸货效率。此外，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或加复板的方法给予加强。加厚板较原来厚增加4mm(海船)或0.5倍（内河船），加厚的范围如下图所示，并且加厚板端接缝应与舱口围板的端接缝以及甲板骨架的角接焊缝错开。由于加厚板与相邻甲板厚度不同，产生了新了不连续性。造成新的应力集中，同时施工也较麻烦。因此，这不是理想的方法。 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。 横向 圆弧角隅减少23%左右。文献12图 7-14 抛物线形或椭圆形角隅的尺寸图 7-15 横剖面上开口宽度的计算法 形开口也应予以加强。应用断裂力学原理的计算和试验表明：当角隅处存在一定长度的列裂纹时，角隅形状对结构的强度几乎没有影响，而设置加厚板则明显增加了含裂纹构件的疲劳与断裂强度。 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。但是，若 舱口围板在角隅处突然中断，会在围板端部产生新的应力集中，所以在舱口围板端部应当采用纵向肘板逐步过渡。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。对海船，在上面已指出，开口之间的甲板厚度 是按局部强度要求决定的，它比按总纵强度要求决定的开口线以外的甲板厚度要薄一些。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。 减小开口间的甲板厚度，也就减小了开口间的甲板结构刚性，因而可降低 角隅处的应力集中。 采用一种新型的“弹性角隅”。不是以角隅处的弧形变化来改善结构的 连续性，而是在角隅部形成一个光顺的波形，使开口线以外的甲板和舱口间的甲横向 板部分的联系处于放松状态，即以放松高应力部位来降低应力集中。光弹性试验和计算板明：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。 对于下层甲板机炉舱、货舱口的角隅，一般做成的圆弧形就可以了。因为在这些地方总纵弯曲应力较小，由应力集中引起的应力升高也不会很大，但海船规范对第二甲板还是要求设加厚板，其厚度较甲板增加2.5mm。 对于甲板上的各种小型开孔，则应根据具体情况予以处理。 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： 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） 300mml2600mm舱口宽度 b图 7-15 横剖面上开口宽度的计算 法L2=2b阴影区域宽度）be。应符合下式要求： 图 7-14 抛物线形或椭圆形角隅的尺寸 be?0.06(B?bi) （4） 式中B为计算剖面处的船宽，m; ?bi为计算剖面处所考虑的开口宽度的总和，m。 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。对需要加强的圆形或椭圆形开口（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) （5） 式中 r开口半径，mm，对椭圆形开口取开口宽度的一半； t甲板厚度，mm 一般，采用加厚开口周围甲板方法来补偿甲板开口。还根据各种受力特点，给出了具体加强措施，需要时可查阅参考。 三、肘板的应力集中 图7-16 小型开口的套环形式加强 在船体结构中，骨架端部主要是以肘板进行连接的。因此，关于肘板的强度及其应力集中的问题，一直是结构研究的重要方面。以便合理地确定各种肘板的形状与尺寸。 通常，普通骨材的端部多用三角形肘板，例如，梁肘板、纵骨及舱壁扶强材端部肘板等。这种形状肘板的端部为不连续点，产生应力集中。对常用的等边三角形的肘板，肘板的最大应力大约是梁理论计算值的1.7倍。因此，对强骨材间的连接，在不连续点处常以半径为r的小圆弧代替。对这类肘板的研究表明17，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： k?maxd?1?0.112?or （6） 式中?o为强骨材在圆弧半径r终止处的弯曲应力。由式（6）可知，当r/d>2时，肘板的应力集中程度已较小。因此，肘板尺寸的大小能保证r/d>2便已足够。 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。因此，这样的减轻孔设计最为合理。 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 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),其分布如下图所示。 T X X XX 根据弹性力学的已知解15，若一单位力T作用在半无限板的直线边缘上（见 图8-10 主体与上层建筑连接线上 水平剪力的分布 图8-11 受力作用后距作用点X处的应力 下图），则距作用点x处的正应力为： ?x? 2T0.64T?txtr T X X （7） CCCC X X 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 图8-10 主体与上层建筑连接线上 水平剪力的分布 图8-11 受力作用后距作用点X处的应力 力为： 3?T0.26T ?4xtxtr 式中 x所讨论的剖面离开力作用点的距离； ?x? （8） t板厚； ? 若在上层 泊松比（?=0.3）。 建筑与主体连接线上以一系列集中力分布剪力q，对每一个集中力T可求得剖面上产生的正应力为： T（=qc）代替在主体板边横 图8-12 主体板边横剖面 ?x? T r （9） ?式中 11?， 2t2?t3?t4其中t2、t3、t4如右图所示。 当t3= t4=0时，?0.5/t2，这个值近于式（7）的系数，在实际结构中这相当于船楼侧壁与主体舷侧外板连接的情况；当t2=0 t3=t4=t时，?0.5/t，它与式（8）的系数相近，在实际结构中这相当于甲板室侧壁与主体甲板相连接的情况。但是，无论哪种情况，理论上在靠近集中力T作用点处，主体板边的的正应力?x均无限增大，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： a?1?0.3h r （10） 式中 h上层建筑高度； r端部的圆弧半径。 （二） 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 （1）设置端部弧形过渡板 由式（10）可知，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。由于弧形板的刚性由大逐渐变小，沿这部分连接线上的水平剪力也逐渐由大变小，于是在弧形板端点主体结构中的应力就不再无限增大。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。例如，关于过渡板的延伸长度，海船规范规定不小于1.5倍船楼高度（若端壁位于船中部0.5L区域以外，延伸长度可适当减小），河船规范则规定为船楼高度；此外，还对过渡板的板厚、加强肘板及板上缘面板的要求作了具体规定，这里不再详细引述。 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。例如，海船规范对端壁位于船中部0.5L区域的船楼，要求从端壁向内至少两个肋距至过渡弧形板起点之外两个肋距之间的主体舷顶列板和甲板边板分别增加20%（见右图）。 2、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。过去都用角钢以双列铆针将围壁与甲板相连，如下图（a）所示；现多用简化的连接形式，如下图（b）为用连接扁钢的一种连接型式。在 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。 壁 钢 甲板围壁复板 板甲板 3、其它加强措施 围壁围壁 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。 甲板甲板 这可能是由于船体总振动而诱发的上层建筑的共振，如下两图所示；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 8-16 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8-17 由于船体四阶振动引起的尾部上层建筑的纵向振 动 （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。