船舶总纵强度计算方法
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极端海况下船舶总纵极限强度可靠性计算方法张增胤;赵耀【摘要】Building a large ship in an overall sea area is a trend in shipbuilding. As such, it is necessary to take into account the influence of extreme waves in the calculation of a ship's longitudinal ultimate strength reliability. The general method of load calculation does not take into account the effects of special wave loads under extreme sea conditions. In addition, for reliability analysis, extreme loads have more complicated random variables. The general method of ship reliability calculation requires these variables to obey a certain distribution, which may mean that the original method cannot be used. From the perspective of navigational limit, the maximum value of the wave bending moment is greater than that of the conventional wave bending moment which does not take the impact of extreme wave sea conditions into account. The experimental data shows that the wave moment calculation method considering extreme wave sea conditions can to some extent reflect the wave loads of ships more realistically. Secondly, by considering the characteristics of different reliability calculation methods and using case calculations, this paper gives a selection of calculation methods of the longitudinal ultimate strength reliability of ships under extreme sea conditions.%船舶全海域大型化是一个发展趋势,因此船舶总纵极限强度可靠性计算中需要将极端波浪的影响参数考虑在内。
1、结构的安全性是指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和(或)载荷效应,并且在偶然事件发生时及发生后,仍能保持必须的整体稳定性。
此外,结构在正常使用时,还必须适合营运的要求,并在正常的维护保养条件下,具有足够的耐久性。
2、船体强度计算包括:(1)确定作用在船体或各个结构上的载荷的大小及性质,即外力问题;外载荷(2)确定结构剖面中的应力与变形,即结构的响应分析(亦称载荷效应分析);或者求使结构失去它应起的各种作用中的任何一种作用时的载荷,即结构的极限状态分析(亦或求载荷效应的极限值),即内力问题。
响应(3)确定合适的强度标准,并检验强度条件。
衡准(结构的安全性衡准都普遍采用确定性的许用应力法)3、通常将船体强度分为总强度和局部强度来研究。
4、结构的安全性是属于概率性的。
5、把船体当做一根漂浮的空心薄壁梁(成为船体梁),从整体上研究其变形规律和抵抗破坏的能力,通常成为总强度。
总强度就是研究船体梁纵弯曲问题。
从局部上研究局部构件变形规律和抵抗破坏的能力,通常称为局部强度。
6、作用在船体结构上的载荷,按其对结构的影响可分为:总体性载荷、局部性载荷。
按载荷随时间变化的性质可分为:不变载荷、静变载荷、动变载荷和冲击载荷。
7、总体性载荷是指引起整个船体的变形或破坏的载荷和载荷效应。
局部性载荷是指引起局部结构、构件变形或破坏的载荷。
冲击载荷,是指在非常短的时间内突然作用的载荷,例如砰击。
8、结构设计的基本任务是:选择合适的结构材料和结构型式,决定全部构件的尺寸和连接方式,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。
9、船体结构设计,一般随全船设计过程分为三个阶段,即初步设计、详细设计和生产设计。
10、结构设计应考虑:安全性、营运适合性、船舶的整体配合性、耐久性、工艺性、经济性。
11、大多数结构的优化设计都以最小重量(或最小体积)作为设计的目标。
但是,减小结构尺寸、降低结构重量,往往会增加建造工作量,从而增加制造成本同时还会引起维护保养费用的增加。
第一节 船舶总纵强度一、船舶强度基本概念1. 船舶强度:船舶结构抵抗内外力而不致破环的能力。
2. 船舶强度种类⎧⎧⎪⎪⎨⎪⎨⎪⎩⎪⎪⎩纵强度总强度横强度船舶强度扭转强度局部强度 二、船舶总纵强度1. 总纵强度概述1)船舶漂浮在水面上,受到重力和浮力的作用,就整个船体看总重力与总浮力是平衡的。
但实际上在船体长度每一段上其重力与浮力是不平衡的。
由于这种重力与浮力沿着船长方向分布不均,使船体产生了纵向弯曲。
2)船体上每一段重力与浮力的差值就是实际作用在船体上的负荷。
船体正是由于负荷的作用而产生了剪力和弯矩。
剪力最大值在距首尾约1/4船长附近;最大弯矩值则在船中附近。
3)船体纵向变形的两种形式:中拱(Hogging)船体中部上拱的弯曲状态(受正弯矩作用)。
中垂(Sagging)船体中部下垂的弯曲状态(受负弯矩作用)。
2. 总纵强度的校核1)许用切力:按“许用剪切应力、横剖面对水平中和轴的惯性矩、横剖面水平中和轴以上有效构件对中和面的静矩、计算横剖面水平中和轴处舷侧外板或纵舱壁的厚度以及波浪切力”计算的许用静水切力。
许用弯矩:按“许用弯曲应力、甲板或龙骨处的剖面模数、局部构件折减系数以及波浪弯矩”计算的许用静水弯矩。
2)校核各横剖面的静水切力和静水弯矩3)当不需要校核切力时 船中静水弯矩:1[()]2SLi i i i i i M W x P x B x '=∑⋅+∑⋅-∑⋅ (,)i i m f P x d =∑⋅分别令SM '取S M ±(船中许用静水弯矩)、0、LS M ±(空船许用静水弯矩),绘制以载荷对船中弯矩i i P x ∑⋅为纵坐标,平均型吃水m d 为横坐标的强度曲线图。
4)经验方法(拱垂值)(1)拱垂值2F A M d d d δ+=- ,则: 当0δ>时,船舶呈中拱变形;当0δ<时,船舶呈中垂变形。
(2)纵强度校验方法 当01200bpL δ≤<,纵强度处于有利状态; 当1200800bpbp L L δ≤<,纵强度处于正常状态; 当800600bpbp L L δ≤<,纵强度处于极限状态; 当600bpL δ≥,纵强度处于危险状态。
第二章 总纵强度计算§2-1船体总纵弯曲应力第一次近似计算一、危险剖面的选择危险剖面:可能出现最大弯曲应力的剖面,由总纵弯曲力矩曲线可知,最大弯矩一般在船中0.4倍船长范围的,所以计算剖面一般应是此范围内的最弱剖面—既有最大的船口或其电开口的剖面,如机舱、货舱开口剖面。
除此之外,一般还要对船体骨架改变处剖面,上层建筑端壁处剖面,主体材料分布变化处剖面,以及由于重量分布特殊可能出现相当大的弯矩值的某些剖面。
二、纵向强力构件 1、 1、 纵向强力构件纵向连续并能有效的传递总纵弯曲应力的构件。
船中0.4~0.5倍船长区域内连续的纵向构件,上甲板板、外板、内底板、纵桁、中内龙骨等都是纵向强力构件。
船中非连续构件参加总纵弯曲的有效性取决于本身的长度及与主体的连续情况。
(1)、构件连续长度≥3h 计算剖面船口纵围板、纵桁等纵向构件可计入船体梁剖面计算中,但除外机座纵桁和其它加强纵桁不应计入。
(2)、构件长度L %15 的上层建筑。
(3)、不少于三个横舱壁或类似结构支柱的长甲板室。
2、 2、 间断构件(1)、相临舱口甲板。
(2)、纵桁板上的H h %20 的开口。
三、剖面模数及剖面要素计算 1、 1、 不同材料剖面面积折算根据变形相等的条件,承受相同的力P 即在计算时,可以船体梁仅由一种基本材料构件,而把与基本材料弹性横量E 不同和构件剖面面积乘以两材料的弹性横量之比E E i,同时又不改形心位置。
因此,对薄壁构件,相当于只对板厚作上述变换。
2、 2、 剖面要素的计算步骤(1)、画出船体计算剖面的剖面图并编号(i )(2)、选定参数轴—离基线(0.45~0.5)型深处。
确定形心至参数轴距离(i Z )。
(3)、计算剖面积(A )、静力矩(B )、惯性矩(C )。
∑=i A A ∑=i i Z A B ∑+=)(02i Z A C i i(4)、求中和轴至参考轴的距离(ε)、任意构件至中和轴的距离('i Z )A B=εε-=i i Z Z '(5)、求对中和轴的惯性矩(I ))(2)(222A B C A C I -=-=ε(6)、若甲板和船底距中和轴最远的距离分别为j Z 和d Z ,则甲板和船底的剖面模数分别为j j Z IW =d d Z I W =通常甲板的剖面模数比船底的剖面模数(d j W W <),所以有时也称j W 为船体的min W 。
1、结构的安全性是指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和(或)载荷效应,并且在偶然事件发生时及发生后,仍能保持必须的整体稳定性。
此外,结构在正常使用时,还必须适合营运的要求,并在正常的维护保养条件下,具有足够的耐久性。
2、船体强度计算包括:(1)确定作用在船体或各个结构上的载荷的大小及性质,即外力问题;外载荷(2)确定结构剖面中的应力与变形,即结构的响应分析(亦称载荷效应分析);或者求使结构失去它应起的各种作用中的任何一种作用时的载荷,即结构的极限状态分析(亦或求载荷效应的极限值),即内力问题。
响应(3)确定合适的强度标准,并检验强度条件。
衡准(结构的安全性衡准都普遍采用确定性的许用应力法)3、通常将船体强度分为总强度和局部强度来研究。
4、结构的安全性是属于概率性的。
5、把船体当做一根漂浮的空心薄壁梁(成为船体梁),从整体上研究其变形规律和抵抗破坏的能力,通常成为总强度。
总强度就是研究船体梁纵弯曲问题。
从局部上研究局部构件变形规律和抵抗破坏的能力,通常称为局部强度。
6、作用在船体结构上的载荷,按其对结构的影响可分为:总体性载荷、局部性载荷。
按载荷随时间变化的性质可分为:不变载荷、静变载荷、动变载荷和冲击载荷。
7、总体性载荷是指引起整个船体的变形或破坏的载荷和载荷效应。
局部性载荷是指引起局部结构、构件变形或破坏的载荷。
冲击载荷,是指在非常短的时间内突然作用的载荷,例如砰击。
8、结构设计的基本任务是:选择合适的结构材料和结构型式,决定全部构件的尺寸和连接方式,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。
9、船体结构设计,一般随全船设计过程分为三个阶段,即初步设计、详细设计和生产设计。
10、结构设计应考虑:安全性、营运适合性、船舶的整体配合性、耐久性、工艺性、经济性。
11、大多数结构的优化设计都以最小重量(或最小体积)作为设计的目标。
但是,减小结构尺寸、降低结构重量,往往会增加建造工作量,从而增加制造成本同时还会引起维护保养费用的增加。
第二章船体总纵强度的计算知识点1剖面模数W=I/Z意义:表征船体抵抗弯曲变形能力的一种几何特性。
最小剖面模数——离中和轴最远的构件(最上层连续甲板即强力甲板;船底。
但船底离中和轴更近,则强力甲板处为最小剖面模数处,弯曲正应力最大)知识点2校核时候取危险剖面,即可能出现最大正应力的面(船中0.4倍船长范围内)。
危险剖面指:骨架式改变处剖面,材料分布变化处,上层建筑端壁处剖面)知识点3(填空)强度等值梁:有效参与弯曲的全部构件组成的梁,该梁在抵抗总弯曲和总纵强度性能上和船体等效。
纵向强力构件:纵向连续并能有效传递总弯曲应力的构件。
(可以计入船体梁的计算中,如船中0.4-0.5倍船长连续纵向构件)(间断构件看看即可,具体使用应该参考规范)知识点4剖面模数及第一次近似总纵弯曲应力计算过程(课件第二章15-21页)看看即可。
知识点5(简答)为什么要校核船体构件的稳定性?A.所有受压的甲板板列,与其他刚性构件相连的一部分完全有效。
B.而其余部分不能承受大于板极限载荷的压力。
C.不是所有纵向强力构件都完全有效参与抵抗总纵弯曲。
D.对船体结构的要求,既应该保证必要的强度,又要保证必要的稳定性。
(简答)怎样校核稳定性?计算临界应力:确定板的临界应力时的注意事项(课件45页)具体的计算方法:板的稳定性计算中只需记住一些简单的边界条件,不用记那些经验公式。
纵骨的稳定性计算只需记住当求得的欧拉应力超过材料的比例极限时要对欧拉应力进行修正,以考虑材料不服从虎克定律对稳定性的影响。
将实际应力与临界应力比较进行校核。
(填空)决定临界应力的条件:构建的几何尺寸、外力的作用方式、边界条件。
知识点6(判断)纵向骨架在计算载荷下不允许丧失稳定性,只有板可能失稳。
知识点7板的应力分布同一水平高度的应力沿着板宽分布不均匀,与纵向骨架相连的部分板宽内应力较高,而板宽的中间部分应力较低。
知识点8剖面折减将船体剖面中一部分失稳的板构件剖面积化为假想不失稳的刚性构件剖面积。
船舶总纵强度计算中剪力弯矩的几个概念说明:这篇帖子是作为解答一位船友的疑惑而撰写的,希望看到这篇帖子的朋友,能了解一些东西,能学到一些东西,也欢迎大家交流。
这篇帖子,是对原来的文章的补充和进一步说明,涉及的方面有:①,概念:包络值、许用值、能力值;②,船舶总纵强度计算设计的流程。
①,概念先来说说概念吧。
对于包络值、许用值、能力值几个概念,结合我的理解做以下解释:<一>总纵强度校核都是针对于静水工况而言的,计算和比较的是静水条件下的船体梁强度。
<二>总体的要求是:在任何剖面: 任意装载工况下的剪力弯矩值<= 包络线确定的剪力弯矩值<= 设计值确定的剪力弯矩值<= 能力值确定的剪力弯矩值<三>总纵强度计算的目的,有两个:1,设计船体剖面:即,结合装载工况,船体重量分布,计算出船体在静水中的浮态,然后积分船体梁受到的载荷,得到各个剖面沿着船长分布的剪力弯矩。
所有的载荷工况下的剪力弯矩就能确定剪力弯矩的包络线。
这个就是所述包络值的概念,在船舶设计的前期进行;由于包络线是前期初步计算的结果,在实际的建造过程中,船体的重量分布可能会出现偏差,这就引出了剪力弯矩的设计值,即CCS 软件中的剪力弯矩的许用值,这个值就是设计者用于设计各个船体剖面结构的剪力和弯矩的大小,基于包络线考虑了一定的设计裕度。
得到剪力弯矩的设计值之后,叠加上相关船舶规范上规定的波浪附加弯矩和剪力【当然,波浪附加弯矩和剪力也可以通过计算确定】设计者就能设计船体剖面了。
即,要求设计的剖面所能承受的剪力弯矩不能小于(剪力弯矩的设计值加上波浪附加剪力弯矩)。
流程图为:船体重量分布+ 载荷工况+ 船体线型------------> 剪力弯矩包络线------ [设计裕度] ------> 剪力弯矩设计值剪力弯矩设计值------ [叠加波浪附加弯矩和剪力] ------> 进行船体剖面的设计2,校核船体剖面强度:校核船体剖面强度是船体剖面设计好之后的工作,在剖面设计过程中,考虑到船舶相关规范和载荷对船体结构的要求,设计的船体梁剖面所能承载的剪力和弯矩往往大于(设计值加附加值)的要求,计算各个船体梁剖面的剖面特性,能够得到该剖面处的剪力弯矩承载能力,但是这个剪力弯矩不是CCS软件中所谓的能力值,(⊙o⊙)…因为前面已经说过了(<一>总纵强度校核都是针对于静水工况而言的……),船体梁剪力弯矩的能力值大小等于实际船体剖面处的剪力弯矩承载能力减去相关船舶规范规定的波浪附加弯矩和剪力【当然,波浪附加弯矩和剪力也可以通过计算确定】。