船舶总纵强度计算方法

第2章 船体总纵强度计算根据梁弯曲理论： Z I M ⋅=σ （2-1）对于一定计算状态，可求出作用于船体剖面上的弯矩M 值。

为了计算剖面弯曲应力σ，还必须先计算剖面对水平中和轴的惯性矩I ，以及剖面任意构件至水平中和轴的距离Z 等剖面要素。

2.1 船体总纵弯曲应力第1次近似计算2.1.1 船体剖面要素计算由于船体结构对称于中纵剖面，一般只需对半个剖面进行剖面要素的计算。

具体步骤如下：首先，画出船体计算剖面的半剖面图，如图2-1所示。

然后，对纵向强力构件进行编号，并注意把所有至中和轴距离相同的构件列为一组进行编号；选取图 2-1 船体横剖面图参考轴O O '-'，该轴可选在离基线0.45倍～0.50倍型深处。

最后，列表进行计算，并分别求出各组构件剖面积i A ，其形心位置至参考轴的距离i Z （按所选定的符号法则，在参考轴以上的构件i Z 取为正），静力矩i i Z A ，惯性矩2i i Z A 。

对于高度较大的垂向构件，如舷侧板等，还要计算其自身惯性矩12/20i i h A i =（i h 为该构件的垂直高度，这种表达式也适用于倾斜板的剖面）。

则得：∑=A A i∑=B Z A i i∑=+C i ZA i i )(02 （2-2） 剖面水平中和轴至参考轴的距离为： )m (AB =∆ （2-3）由移轴定理，剖面对水平中和轴的惯性矩为： )(2)(222A B C A C I -=∆-= （cm 2 ·m 2） （2-4）任意构件至中和轴的距离为： A B Z Z Z i i i -=∆-=' （m ） （2-5）最上层连续甲板和船底是船体剖面中离中和轴最远的构件，构成了船体梁的上下翼板。

构成船体梁上翼板的最上层连续甲板通常称为强力甲板。

设中和轴至强力甲板和船底的垂直距离分别为d Z 和b Z ，则强力甲板和船底处的剖面模数分别为： d d Z I W =，b b Z I W = （2-6）在一般船舶中，中和轴离船底较近，即d Z >b Z ，因此b d W W <。

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‎】。

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。

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。

船舶货运必记计算公式201410理工大张老师总结复习建议：做简单的计算题，少做或不做复杂题。

考试计算题量约为15题。

1．重量计算SB C G NDW DW L L +++∑++Δ=+Δ=ΔVsg G s 242×=2．应用TPC WA TPC ρ01.0=TPCP d 100=δ)(4000)(40m TPCcm TPC FWA Δ=Δ=)(402ρρδ−=s FWA d 估算：1212d d ρρ=dd d m m δ±=13．平均吃水估算：)(21A F m d d d +=纵倾：L x d d d d d f A F A F m )—()(21++=拱垂：t L x d d d d bpf A F m ⋅+++=⊗)6(814．客积计算：NDWV ch=μQV SF ch =QV SF C ='bsC SF SF —1'=bsC ch C V V —1=SFF S SF V V V C ch C ch bs ′−=−=满舱满载：chH H L L V P SF P SF =×+×NDWP P H L =+5．稳性：GZg MR××Δ=初稳性方程式：θsin ×××Δ=GM g M R KGKM KG BM KB GM −=−+=gb z r z −+=VI r x =iii P z P KG ∑∑=KGGM δδ−=GMGM GM δ±=1垂移、悬挂：Δ=Pz GM δ装卸：Pz KG P GM P ±Δ−±=)(δ)2(112GM z d d P GM GM p −−++ΔΔ+=δ自由液面：Δ⋅=xf i GM ρδ矩形：3121ab i x =梯形：))((481222121b b b b a i x ++=等腰三角形：3481abi x =直角三角形：3361ab i x =）TPC d S S 01(100ρρρρδ−Δ=圆形：441r i x ⋅=π椭圆：341ab i x π=设纵舱壁：）n i n i xoxn 等分(12=互换：⎪⎭⎪⎬⎫⎪⎩⎪⎨⎧⋅=⋅Δ⋅−=L L H H L H SF P SF P z ）P （P GM δ横移：GM pytg ⋅Δ=θ装卸：11GM y p tg p ⋅Δ⋅=θ装卸（重大件）：11GM y p py tg b b ⋅Δ⋅+=θ大倾角稳性：θSin KG KN KH KN GZ ⋅−=−=Wh W h l l M M K minmin ==Ww w W Z A P M ⋅⋅=gM l W W ⋅Δ=横摇周期：GMKG B fT 22458.0×+=θ或GMB f T ⋅=θ剩余稳性力臂MS ：θSin GM GZ MS ⋅−=6．抗沉性渗透率：体积V Vv 1=μ面积aa a 0=μ许可舱长：F l l F P ⋅=破舱稳性：g b GM GM ⋅ΔΔ=1进水重量：LBDP v ⋅⋅⋅=δμρ进水速率：hH F Q −=μ43.47．强度：每货舱货物重量计算：调整值±Σ⋅Σ=Q V V P chichii 拱垂值：m m d d −=⊗δ局部强度：允许值上甲板：SFgH r H g P C cC ⋅⋅=α或 1.5t /m 2,14.7kP a货舱：cC d r H g P ⋅⋅=或：)(72.0αkP H g P d d ⋅⋅=实际：'dd P P ≤)(2min m P PA d=7．吃水差：MTCM t L 100=δMTCx x g t b g 100)(−⋅Δ=δtt t δ+=1装卸：MTCx x g P t f P 100)(−⋅⋅=δ移动：MTCxPg t 100⋅=δ装卸后：tLx TPC p d d d d d fF Fm F F δδδ⋅−+±=++=)21(1001tLx TPC p d d d d d fA Am A A δδδ⋅+−±=++=)21(1001IMO 要求：⎩⎨⎧+≥≥≤202.0025.0150min min L d L d mL m F (m)⎩⎨⎧+≥+≥>202.02012.0150min min L d L d mL m F （m ）吃水差比尺：100'Pd d F F ±⋅=δδ100'Pd d A A ±⋅=δδ8．系固道数：MSLPN y =9．谷物稳性计算：GMg M tg u⋅⋅Δ='θ∑⋅=ivivi u SF M C M '⎪⎩⎪⎨⎧=12.106.100.1vi C g M uO ⋅Δ='λ0408.0λλ×=404040λ−=′GZ Z G 10.固体散货:最大吃水：a W d D H D D −+=max 最小吃水：潮高安全距离机船W H h h H D ′++−=21min 排水量的水密度修正1025.1Δ=Δρ装卸量计算：装：)()(F F A A G G Q −Δ−−Δ=卸：)()(A A F F G G Q −Δ−−Δ=11.油量计算：膨胀余量：tf t f VV δδδ⋅+⋅=1最大装油体积：VV V t a t δ−=.换算：⎪⎩⎪⎨⎧+=−=)44.4(00096.160/60.54/15.20020γραρF G S C G S )20(20−−=t t γρρ空档修正：横向θtg AC AB ⋅=纵向Lt AC AB ⋅=空档高度=测量值AB±油轮要求：⎩⎨⎧<+>⊗Lt m L d m015.011)(202.0油温测量：53dm u t t t t ++=油量计算：2020)0011.0(V m ⋅−=ρ2020V F m ⋅⋅=ρ以第2式为准。

1一引起船体梁总纵弯曲的外力计算1 在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，简称船体梁。

船体梁在外力作用下沿其纵向铅垂面内所发生的弯曲，称为总纵弯曲。

船体梁抵抗总纵弯曲的能力，称为总纵强度。

2 船体总纵强度计算的传统方法：将船舶静置在波浪上，求船体梁横剖面上的剪力和弯曲力矩以及相应的应力，并将它与许用应力相比较以判断船体强度。

3 重力p(x)与浮力b(x)是引起船体梁总纵弯曲的主要外力。

载荷q(x)，剪力N(x)，弯矩M(x)。

4 中拱：船体梁中部向上拱起，首、尾两端向下垂。

中垂：船中部下垂，首、尾两端向上翘起。

5重量曲线：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。

绘制重量曲线的方法：静力等效原则。

6 重量的分类：按变动情况来分，①不变重量，即空船重量，包括：船体结构、舾装设备、机电设备等各项固定重量。

②变动重量，即装载重量，包括货物、燃油、淡水、粮食、旅客、压载等各项可变重量。

按分布情况来分，①总体性重量，即沿船体梁全长分布的重量，通常包括：主体结构、油漆、锁具等各项重量。

②局部性重量，即沿船长某一区段分布的重量。

7 重量的分布原则：静力等效原则。

①保持重量的大小不变，这就是说要使近似分布曲线所围成的面积等于该项实际重量。

②保持重量重心的纵向坐标不变，即要使近似分布曲线所围的面积的形心纵坐标与该项重量的重心坐标相等。

③近似分布曲线的范围与该项重量的实际分布范围相同或大体相同。

8 浮力曲线：船舶在某一装载情况下，描述浮力沿船长分布状况的曲线29 载荷曲线：在某一计算状态下，描述引起船体梁总纵弯曲的载荷沿船长分布状况的曲线。

10 静水剪力、弯矩曲线：船体梁在静水中所受到的剪力和弯矩沿船长分布状况的曲线。

11 静波浪剪力和弯矩计算：船舶由静水进入波浪时，重量曲线p(x)并未改变，但水面线发生了变化，从而导致浮力的重新分布。

波浪下浮力曲线相对静水状态的浮力增量是引起静波浪剪力和弯矩的载荷。

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 。