结构基础设计_夏广印详解

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1、Yard of Choice 结构基础设计入门 Yard of Choice 第一章 结构设计的任务 第二章 结构设计流程 第三章 结构规范设计 第四章 结构节点设计 第五章 结构设计实例 第六章 全文总结 目 录 Yard of Choice 结构基础设计入门 第一章 结构设计的任务 Yard of Choice 第一章 结构设计的任务 结构设计的任务分为以下几个部分 1.材料的选择 2.屈服(Yield)强度的校核 4.屈曲(Buckling)强度的校核 3.剪切(Shear)强度的校核 5.疲劳(Fatigue)强度的校核 Yard of Choice 第一章 结构设计的任务 1.满足静

2、载强度，主要是屈服（Yield）强 度和剪切（Shear）强度，因为根据经我 们材料力学，这两者都是和材料的屈服极 限相关的。而屈曲强度和材料的屈服强度 关系不大。 结构材料的选择主要根据以下几个方面 的来进行。 Yard of Choice 第一章 结构设计的任务 2.满足疲劳(Fatigue)强度，通常达到材料的 疲劳极限时，应力水平都比材料的屈服强 度小得多； 3.经济性； 结构材料的选择主要根据以下几个方面 的来进行。 Yard of Choice 第一章 结构设计的任务 为了说明各种强度的设计。先来复习一下 材料力学的强度理论。 第一强度理论：也称为最大拉应力理论。 该理论认为，不论

3、材料处于何种应力状态 ，只要最大拉应力1达到材料单向拉伸断 裂时的最大拉应力即强度极限b， 满足静载强度 Yard of Choice 第一章 结构设计的任务 材料即发生断裂。按此理论，材料的断裂 条件为: 1=b 试验表明：脆性材料在二向或三向拉伸断 裂时，最大拉应力理论与试验结果相当接 近； 第一强度理论 Yard of Choice 第一章 结构设计的任务 而当存在压应力时，则只要最大压应力值 不超过最大拉应力值或超过不多，最大接 应力理论与试验结果也大致相近。将上述 理论用于构件的强度计算，得相应的强度 条件为1=b/n或1= 第一强度理论 Yard of Choice 第一章 结构设

4、计的任务 式中： 1为构件最大拉应力， 为材料 的许用应力 第一强度理论就是我们平时所说的梁的剖 面模数满足规范要求的理论。 思考：有构件的一面受压与没有构件的一 面受压时哪一种与第一强度理论更接近？ 第一强度理论 Yard of Choice 第一章 结构设计的任务 第二强度理论也叫最大切应变理论，访理 论认为引起材料断裂的主要因素是最大拉 应变。而且认为，不论材料处于何用应力 状态，只要最大拉应变1达到材料单向拉 伸断裂时的最大拉应变值1u，材料即发 断断裂。 第二强度理论 Yard of Choice 第一章 结构设计的任务 按此理论，材料的断裂条件为： 1= 1u 试验表明，脆性材料在

5、双向拉伸-压缩应 力状态下，且压应力值超过拉应力值时， 最大拉应变理论与试验结果大致符合。 第二强度理论 Yard of Choice 第一章 结构设计的任务 由于我们用的都是塑性材料，一般不用此 强度理论 第二强度理论 Yard of Choice 第一章 结构设计的任务 双称最大切应力理论，该理论认为引起材 料屈服的主要因素是最大切应力。而且认 为，不论材料处于何种应力状态，只要最 大切应力max达到材料单向拉伸屈服时的 最大切应力值s，材料即发生屈服。 第三强度理论 Yard of Choice 第一章 结构设计的任务 相应的强度条件为 r3=1-3400MPa)。 通常情况下，无论选用

6、哪一种低碳钢， 都可以满足强度要求，但材料的屈服强 度越高，价格越高。 Yard of Choice 第一章 结构设计的任务 满足静载强度 但换一个角度来说，材料的屈服强度越 高，意味着所需要的材料的总重量越小 ，从这个方面是有利的。 根据通常的原则，对于重量控制要求比 较高的船型，通常选用高强度钢，如H36 。 Yard of Choice 第一章 结构设计的任务 满足静载强度 但对于重量控制不严格的船，通常采用 普通钢。 对于上建，由于规范要求的最小板厚通 常都可以满足强度的要求，所以基本上 都选用普通钢。 Yard of Choice 第一章 结构设计的任务 满足静载强度 我们计算强度时

7、，第一就是要满足规范 要求的剖面模数的要求。也就是我们说 的Yield的最低要求。 第二就是满足剪切面积Shear的要求。这 在DNV的规范中有明确的规定，ABS规 范中没有，需要直接计算。 Yard of Choice 第一章 结构设计的任务 满足静载强度 第三是满足屈曲(buckling)的要求，规范 中除了支柱，并没有给出比较方便校核 buckling的公式。但在ABS和DNV的构件 尺寸要求中，都有一定的比例要求，这 些要求其实就是从buckling的要求出发的 。 Yard of Choice 第一章 结构设计的任务 满足静载强度 如腹板高度与厚度的关系，腹板高度与 跨距的关系等。

8、由于船用低碳钢的弹性模量与屈服强度 无关，因此，在满足屈服强度与剪切强 度的情况下，普通钢比高强钢更宜满足 要求。 Yard of Choice 第一章 结构设计的任务 满足疲劳强度 由于疲劳强度是个十分复杂的问题。目 前的技术手段还无法准确计算疲劳寿命 。因此，目前，我们从设计的角度来说 ，要尽一切可能从节点设计中来避免疲 劳的产生。 Yard of Choice 第一章 结构设计的任务 满足疲劳强度 对我们设计的选材料来讲，就是要严格 按规范要求的材料等级来选材料。 在规范中，都按设计温度、位置的重要 程度规定了各等级的材料允许使用的最 小板厚。 Yard of Choice 结构基础设计

9、入门 第二章 结构设计流程 Yard of Choice 第二章 结构设计流程 1.根据规范和经验计算板、扶强材、 强梁的规格。 2.出图。 3.进行总体强度分析。 设计输入：GA, Tank Plan, Specification. 需要的主要信息：船级社、设计温度。 基本的设计流程如下： Yard of Choice 第二章 结构设计流程 基本的设计流程如下： 4.局部不满足的地方进行修改； 5.修改后的结构进行局部强度分析和疲 劳谱分析，不满足的地直接进行修改， 直到满足设计要求； 6.对不满足的地方再次进行修改； 7.输出图纸送审船东和船级社； Yard of Choice 第二章 结

10、构设计流程 基本的设计流程如下： 8.进行局部结构细化设计； 9.等退审意见回来后一起修改进结构中 ； 10.细化的结构再次进行送审并进行 一下步的详细设计； 11.进行项目总结。 Yard of Choice 结构基础设计入门 第三章 结构规范设计 Yard of Choice 第三章 结构规范设计 根据ABS MODU进行Main Scantling设计 在ABS规范中，分为板材、扶强材、强 梁和支柱几个部分的公式。 板材公式中，最小板厚 Yard of Choice 第三章 结构规范设计 ABS板材公式 式中： t 为最小设计板厚，单位mm s为型材间距，单位mm k为比例系数 Yard

11、 of Choice 第三章 结构规范设计 ABS板材公式 q为材料系数 c 位置系数 a)在液舱中，c=254 b)对水密舱壁或上建，c=290 c)对货舱甲板，c=256 Yard of Choice 第三章 结构规范设计 ABS板材公式 t k腐蚀余量，单位mm a)液舱内，tk=2.5mm b)其它位置，tk=1.5mm h为设计压头，单位m Yard of Choice 第三章 结构规范设计 ABS板材公式 除此之外，还有一个最小板厚的规定， 如水密舱壁中，最小板厚6mm和 s/200+2.5mm中的大值。 在液舱中，最小板厚为6.5mm和 s/150+2.5mm中的大值。 在上建和

12、货舱甲板中，最小板厚为5mm 。 Yard of Choice 第三章 结构规范设计 ABS板材公式 为什么还会有最小板厚的要求呢？ 从规范的最小板厚的公式推导过程中可 以看出，仅仅是做为弯曲因素考虑了它 的强度。而没有考虑buckling、shear和 fatigue。 Yard of Choice 第三章 结构规范设计 ABS板材公式 由于shear和fatigue在总体强度中会考虑 ，在这里不作讨论。 从bucking 的角度考虑，因为板在内部存 在一定的压应力，在实际使用过程中会 有使它产生buckling的外部因素存在。 Yard of Choice 第三章 结构规范设计 ABS板材

13、公式 从生产的角度来说，太薄的厚在施工过 程中的焊接收缩产生的变形也会使它与 设计公式中的假设相差甚远。 Yard of Choice 第三章 结构规范设计 DNV板材公式 式中： t 为最小设计板厚，单位mm s为型材间距，单位m ka为比例系数 Yard of Choice 第三章 结构规范设计 DNV板材公式 pd为设计压力，单位kN/m2 pd为许用应力，单位MPa Yard of Choice 第三章 结构规范设计 DNV板材公式 kpp为板的端部固定系数，两端固定为1.0 ，两端支为0.5 同ABS规范一样，DNV规范也规定了最小 板厚。原理与ABS规范一样，只是计算公 式 有所差

14、异。 Yard of Choice 第三章 结构规范设计 ABS扶强材计算公式 式中 f=7.8 c=0.56，对非液舱 c=1.0对液舱 s为型材间距，单位m Yard of Choice 第三章 结构规范设计 ABS扶强材计算公式 h为设计压头，单位m l为跨距，单位m Q为折减系数， H32，Q=0.78 H36，Q=0.72 H40，Q=0.68 Yard of Choice 第三章 结构规范设计 ABS扶强材计算公式 h为设计压头，单位m l为跨距，单位m Q为折减系数， H32，Q=0.78 H36，Q=0.72 H40，Q=0.68 Yard of Choice 第三章 结构规范

15、设计 ABS扶强材计算公式 几点说明： 公式中只是给出了最小剖面模数的要求， 并没有给出其它的如最小受剪面积的要求 和buckling的要求。 Yard of Choice 第三章 结构规范设计 ABS扶强材计算公式 主要是因为在大多数情况下，我们的扶强 材规格都已经标准化了，这些标准的型材 基本上都满足强度的要求。 如果我们选用非标准型材，如用钢板切出 来的扁钢做为扶强材，就要注意buckling 的要求，就是要满足高度与厚度的比例。 Yard of Choice 第三章 结构规范设计 DNV扶强材计算公式 式中 Zs需要最小剖面模数，单位cm3 l为跨距，单位m s为型间距，单位m Yard of Choice 第三章 结构规范设计 DNV扶强材计算公式 p设计压力，单位kN/m2 pd为许用应力，单位MPa km为弯曲系数，见下页的表格。 Yard of Choice 第三章 结构规范设计 DNV扶强材计算公式 Yard of Choice 第三章 结构规范设计 ABS强梁计算公式 式中 f=4.7 对水密舱壁 =4.74对液舱 c=1.0，对非液舱 c=1.5对液舱 Yard of Choice 第三章 结构规范设计 ABS强梁计算公式 s为支持距离，单位m h为