船体强度与结构设计

船体强度与结构设计

船体强度与结构设计

1. 船体梁抵抗总纵弯曲的能⼒，成为总纵强度（简称纵强度）。

2. 重量的分类：（1）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。（2）按分布情况分○1总体性重

量，即沿船体梁全场分布的重量，通常包括：主体结构、油漆、索具等各项重量，对于内河⼤型客船，还包括：纵通的上层建

筑及旅客等各项重量。○2局部性重量：即沿船长某⼀区段分布的重量，通常包括：货物、燃油、淡⽔、粮⾷、机电设备、舾

装设备等各项重量。

3.重量分布原则：对于各项重量按近似的和理想化的分布规律处理时，必须遵循静⼒等效原则1）保持重量的⼤⼩不变，这就

是说要使近似分布曲线所围的⾯积等于该项实际重量2）保持重量重⼼的纵坐标不变，即要使近似分布曲线所围的⾯积⾏⼼纵

坐标与该项重量的重⼼纵坐标相等3）近似分布的曲线的范围与该项重量的实际分布范围相同或⼤体相同3.描述浮⼒沿

船长分布状况的曲线称为浮⼒曲线。4.计算状态：通常是指，在总纵强度计算中为确定最⼤弯矩所选取的船舶典型装载状态,

⼀般包括满载、压装、空载等和按装载⽅案可能出现的最不利以及其它正常营运时可能出现的更为不利的装载状态。4.静波浪

弯矩与船型、波浪要素以及船舶与波浪的相对位置有关，波浪要素包括波形、波长和波⾼，⽬前得到最⼴泛应⽤的坦⾕波理

论，根据这⼀理论，⼆维波的剖⾯是

坦⾕曲线形状。坦⾕波曲线形状的特点是：波峰陡峭，波⾕平坦，波浪轴线上下的剖⾯积不相等，故谓坦⾕波。4.传统的标准

计算⽅法：（1）将船舶置于波浪上，即假想船舶以波速在波浪的船舶⽅向上航⾏，船舶与波浪处于相对静⽌状态。（2）以

⼆维坦⾕波作为标准波形，计算波长等于船长（内河船舶斜置于⼀个波长上），计算波⾼按有关

规范或强度标准选取。（3）取波峰位于船中及波⾕位于船中两种状态分别进⾏计算。

5.船舶由静⽔进⼊波浪会上浮还是下沉？船舶由静⽔进⼊波浪，其浮态会发⽣变化，若以静⽔曲线作为坦⾕波的轴线，当船中

位于波⾕时，由于坦⾕波在波轴线上以上的剖⾯积⽐在轴线以下的剖⾯积⼩，同时船体中部⼜较两端丰满，所以船在此位置时

的浮⼒要⽐在静⽔中下，因为饿不能处于平衡，船舶将下沉ξ值；⽽当船中在波峰时，⼀般船舶要上浮⼀些。另外，由于船体

⾸、尾线型不对称，船舶还将发⽣纵倾变化。

6.确定船舶在波浪上平衡位置的⽅法：利⽤静⼒平衡的条件，即重⼒等于浮⼒重⼼与浮⼼的纵向位置在同⼀条铅垂线上，⽅法

⼀般有逐步近似法和直接法，直接法是由麦卡尔提出的，故称麦卡尔法，该⽅法是利⽤邦戎曲线来调整船舶在波浪上的平衡位

置6.史密斯修正：按坦⾕波理论，波浪中的⽔质点在铅垂⾯内作等速运动，从⽽产⽣离⼼⼒，在波峰，由于⽔质点收到的离⼼

⼒与重⼒⽅向相反，故相当于⽔的密度减⼩，⽽在波⾕处，⽔质点收到的离⼼⼒与重⼒⽅向相同，故相当于⽔的密度值增加，

因⽽导致波峰处的实际压⼒⼩于静⽔压⼒，⽽在波⾕处则⼤于静⽔压⼒，结果使浮⼒曲线趋于平缓，

这种计及波浪⽔质点运动所产⽣的惯性⼒的影响，即考虑波浪动⽔压⼒影响对浮⼒曲线所作的修正，成为波浪浮⼒修正，或成

为史密斯修正。船体剖⾯模数：应⽤简单梁的理论，总纵弯曲应⼒为σ=MZ/I或者σ=+-M/W式中W=I/\Z\称为船体剖⾯模数它是

表征船体结构抵抗

弯曲变形能⼒的⼀种⼏何特性，也是衡量船体总纵强度的⼀个重要标志。危险剖⾯（计算剖⾯）：由总纵弯曲⼒矩曲线可知，

最⼤弯矩⼀

般在船中0.4倍船长范围内，所以计算剖⾯⼀般应是此范围内的最弱剖⾯-含有最⼤的舱⼝或其它开⼝的剖⾯，如机舱，货舱开

⼝剖⾯。

纵向强⼒构件：在船中部0.4-0.5

倍船长区域内连续的纵向构件，如甲板板、外板、内底板、内龙⾻、纵垳、纵⾻等都是纵向强⼒构件。船体剖⾯模数计算的计

算过程：1）画出船体计算剖⾯的半剖⾯图，对纵向强⼒构件进⾏编号2）选取参考轴O’-O’，该轴可选在离基线e=（0.45-0.50）倍型深处，或就在

基线处3）最后利⽤表格计算：7.船舶在同⼀计算状态下，静⽔弯矩和静波浪弯矩的代数和，称为总纵弯矩。8.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，有时也称强⼒甲板处的剖⾯模数为船体剖⾯的最⼩剖⾯模数。第⼆次近似计算的原因：第⼀次近似计算中，将所有纵向强

⼒构件都看成完全有效地参加抵抗总纵弯曲，有时会不能如实地反映船体薄壁板构件的⼯作效能，因⽽也就不能确切的评估船

体强度，这便是第⼀次近似计算中存在的问题。

9.折减系数:板由于失稳，在同⼀⽔平⾼度上的应⼒沿板宽不再保持均

匀分布，与纵向⾻架梁相连的部分板宽内应⼒较⾼，板宽的中间部分应⼒较低，说明船体板不能完全有效的参加抵抗总纵弯

曲。此时，仍能运⽤简单梁的计算公式计算总纵弯曲应⼒，⼀般采⽤折减系数υ把船体剖⾯中的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。10.将纵向强⼒构件分为刚性构件和柔性构件。刚性构件包括：受压不失稳的刚性⾻架梁、纰列板及与刚性⾻架

梁、纰列板等相毗连的每⼀侧宽度等于该板格短边长度0.25倍的那⼀部分板。板格的其余部分在受压后可能失稳，称为柔性构

件，它只能承受等于其临界应⼒夫⼈压应⼒。11.把纵向构件分为四类：（1）只承受总纵弯曲的纵向强⼒构件，成为第⼀类构

件，如不计甲板横荷重的上甲板（2）同时承受总纵弯曲和板架弯曲的纵向强⼒构件，称为第⼆类构件，如船底纵垳、内底板

（3）同时承受总纵弯曲、板架弯曲及纵⾻弯曲的纵向强⼒构件，或者同时承受总纵弯曲、板架弯曲及板的弯曲（横⾻架式）

的纵向强⼒构件，称为第三类构件，如纵⾻架式中的船底纵⾻或者横⾻架式中的船底板。（4）同时承受总纵弯曲、板架弯

曲、纵⾻弯曲及板的弯曲的纵向强⼒构件，成为第四类构件，如纵⾻架式中的船底板

12.许⽤应⼒：指在接受设计预计的各种⼯况下，船体结构构件所容许承受的最⼤应⼒值。许⽤应⼒通常⼩于构件破坏时的极

限应⼒值或结构发⽣危险状态（结构已失去它应起的各种作⽤中的任何⼀种时的状态）时材料所对应的极限应⼒值。

13.安全系数：是考虑强度计算中的许多不确定性，为保证设计

结构必要的安全度⽽引⼊的强度储备。通常决定于以下⼀系列因素：(1)计算载荷表征实际载荷的精度。（2）在给定载荷下，

结构响应分析的精度（3）材料机械性能的稳定程度（4）建造⼯艺、施⼯质量对材料强度的影响（5）营运条件及使⽤年限聚

顶的腐馈磨损情况（6）结构破坏所引起的后果14.许⽤应⼒标准是根据舰船设计、建造和营运经验，以及积累的实船静载测量

和航⾏试验结果，根据安全和经济的原则确定的15.船体极限弯矩：是指在船体剖⾯内离中和轴最远点的刚性构件中引起的应

⼒达到结构材料屈服极限(在受拉伸时)或构件的临界应⼒（在压缩时）的总纵弯曲⼒矩。16强度储备系数：表明船体结构所具

有的承受过载能⼒的⼤⼩，Mj/M》/n 17局部强度：船体在外⼒作⽤下初发⽣总纵弯曲变形外，各局部结构，如船底、甲板、

船侧和舱壁板架以及横向肋⾻框架也会因局部载荷作⽤⽽发⽣变形、失稳或破坏。研究它们的强度问题称为局部强度。18.影

响计算模型的因素；

(1)结构的重要性，对重要结构应采⽤⽐较精确的计算模型（2）设计阶段在初步设计阶段可⽤较粗糙的模型，在详细设计阶段

则需要较精确的计算模型（3）计算问题的性质，对于结构经历分析，⼀般可⽤较复杂的计算模型，对于结构动⼒和稳定性分

析，由于问题⽐较复杂，可⽤较简单的计算模型19构件计算时尺⼨

简化：板架计算时其长度、宽度取相应的⽀持构件间距离，例如船底板架和甲板板架好的长度去横舱壁之间的距离，宽度取组

成肋⾻框架梁中和轴的跨距，或简单的取为船宽。肋⾻刚架计算时，其长度、宽

度取组成肋⾻框架梁中和轴线交点间距离，⽤中和轴线代替实际构件。

20.⾻架⽀持形式：（1）⾃由⽀持在刚性⽀座上。（2）刚性固定（3）弹性⽀座和弹性固定。简化成何种⽀座，视相邻构件

与计算构件间的相对刚度及受⼒后的变形特点⽽定。21.由于实肋板刚性远⼤于纵⾻，可视为纵⾻的刚性⽀座，⼜变形以肋板

为⽀点左右对称，因此计算船底纵⾻强度的时可按两端刚性固定的单跨梁来计算。22结构对称性

的利⽤：（1）船体结构⼀般都是左右对称的，充分利⽤这个特点可⼤⼤减少未知量的数⽬。如果结构与载荷都是对称的，可

取⼀半结构进⾏计算，在对称⾯的各个节点上加上适当的约束（2）如果结构具有纵、横双重性对称，载荷也对称，则可取1/4

结构进⾏计算（3）当

结构对称、载荷步对称时，可将载荷分解为对称与反对称两种情况计算然后迭加。23载荷模型化时考虑的问题：1)确定作⽤于

结构上的载荷⼯况2）确定计算载荷的性质与载荷类型3）确定载荷⼤⼩，并决

定施加在哪些构件上4）确定载荷的组合与搭配24带板：船体结构

中绝⼤多数⾻架都是焊接在板架上的，当⾻架受⼒发⽣变形时，与它相连接的板也⼀起参与⾻架抵抗变形。因此，为估算板架

的承载能⼒，也应把⼀定宽度的板计算在⾻架剖⾯中，即作为它的组成部分来计算⾻架的剖⾯积、惯性矩和剖⾯模数等⼏何要

素，这部分板成为带板或者附连翼板。25剪切滞后：在腹板正上⾯的⾯板部分弯曲应⼒最⼤，沿⾯板宽度曲应⼒离开腹板逐

渐减⼩，这种现象称为剪切滞后。26

安装在平板上的主要构件的有效⾯积为：A=10fbtp，f=0.3（l/b）2/3，但不⼤于1。中国船舶检验局规定：强⾻材带板宽度取

其跨度的1/6。

27船体板架计算：1）对于横⾻架式，主向梁承受肋板间距范围内的荷重，交叉构件只承受节点反⼒；2）对于纵⾻架式，载

荷通过纵⾻传给实肋板，交叉构件也只承受节点反⼒；3）对于舱长很短的船底板架，（l/b《0.8》为确定这种板架中⾏材的弯

曲应⼒，可将中⾏材当作单跨梁处理。28强⼒甲板：最上层连续甲板是船体梁的上翼板，它对保证船体总纵强度起重要作

⽤。29舱壁的分类：按其布置⽅向可分为横舱壁和纵舱壁两种，按其结构型式可分为平⾯舱壁和皱折舱壁。平⾯舱壁的强度

计算：1）被扶强材⽀持的舱壁板，由于结构和载荷的对称性变形呈筒形，故舱壁板可按两端固定的板条梁来计算2）

29.船体结构主要构件：⼯字钢次要构件：⾓钢T型钢。

30.型材剖⾯设计应符合下列要求：1）具有⾜够的强度、刚度和稳定性2）应尽可能符合⽣产与⼯艺⽅⾯的要求，如制造简

单、施⼯质量⾼3）满⾜特殊结构与营运使⽤的要求，例如，为保证货舱容积⽽对型材剖⾯⾼度的限制，因磨损⽽对最⼩板厚

的要求等4）剖⾯内材料分布合理，使所得结构质量最轻，这是船体结构⼯程师的重要⽬标之⼀。30.衡量型材剖⾯内材料分布

合理程度的指标有：剖⾯利⽤系数和⽐⾯积。31.理想剖⾯：理想剖⾯没有链接两翼板的腹板。32.W1=1/2ηhf，η称为剖⾯的

利⽤系数，在f和h相同的情况下，η能表明材料在剖⾯中分布的合理程度，即越⼤，所设计的型材剖⾯越接近于理想剖⾯，剖