船舶强度讲座杨永谦

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1、船舶结构设计与强度船舶结构设计与强度计算计算 杨永谦2008年10月 目目 录录 1.1.当代船舶技术的发展当代船舶技术的发展 2.船舶结构设计的发展-直接设计法 3.CCS规范内河船强度计算示例 4.CCS规范海船强度计算示例 5.共同规范对无限航区海船强度计算要求 6.散货船共同规范计算示例 7.船舶波浪载荷预报 注：5.,6.和7.见另外的.PPT文件 当代船舶技术的发展当代船舶技术的发展船舶的种类常规排水型运输船常规排水型运输船l散货船散货船、油船油船、集装箱船集装箱船 三大主体系列船型三大主体系列船型。l液化气船(LPG、LNG)、化学品船、 滚装船、自卸船、海洋调查探测船、 浮式储

2、油船、豪华客船等。三大主体系列船型之一三大主体系列船型之一 散货船散货船l 巴拿马型散货船 （江南厂 七OOOO吨）三大主体系列船型之一三大主体系列船型之一 原油船原油船三大主体系列船型之一三大主体系列船型之一 集装箱船集装箱船6690TEU (1998, IHI)L=299.9m, W=42.8m, D=19.5m, T=14m种类繁多的单体排水型船舶种类繁多的单体排水型船舶 半冷半压式液化气船l （江南厂 四二OO立方米）种类繁多的单体排水型船舶种类繁多的单体排水型船舶液化石油气船（液化石油气船（LPGLPG）种类繁多的单体排水型船舶种类繁多的单体排水型船舶 球罐型液化天然气船液化天然气船

3、( (LNG)LNG)种类繁多的单体排水型船舶种类繁多的单体排水型船舶薄膜型液化天然气船液化天然气船( (LNG)LNG)种类繁多的单体排水型船舶种类繁多的单体排水型船舶 化学品/成品油船l（江南厂 一三七OO吨）我国建造的新船型我国建造的新船型l 45000吨化学品船 (大连造船厂）种类繁多的单体排水型船舶种类繁多的单体排水型船舶 RORO RORO 船船我国建造的新船型我国建造的新船型l 12300吨 Ro-Ro 船船 (大连造船厂）种类繁多的单体排水型船舶种类繁多的单体排水型船舶 汽车滚装船l江南厂 （二四OOO吨）我国建造的新船型我国建造的新船型种类繁多的单体排水型船舶种类繁多的单体排

4、水型船舶 汽车专用船汽车专用船种类繁多的单体排水型船舶种类繁多的单体排水型船舶 木材专用船木材专用船种类繁多的单体排水型船舶种类繁多的单体排水型船舶 矿炭两用船矿炭两用船种类繁多的单体排水型船舶种类繁多的单体排水型船舶 重型机械装载船重型机械装载船种类繁多的单体排水型船舶种类繁多的单体排水型船舶 甲板载重船甲板载重船种类繁多的单体排水型船舶种类繁多的单体排水型船舶 浮式储油船浮式储油船l江南厂（ 六八五OO吨）种类繁多的单体排水型船舶种类繁多的单体排水型船舶 多用途海洋工作船多用途海洋工作船（VS468)l 我我国国建建造造的的新新船船型型 （大连造船厂）种类繁多的单体排水型船舶种类繁多的单体

5、排水型船舶 豪华旅游船豪华旅游船种类繁多的单体排水型船舶种类繁多的单体排水型船舶 豪华旅游船豪华旅游船l挪威太阳号2001年8月31日 交船 排水量 78309 总吨，长 258m我我国国在在建建的的新新船船型型l 超大型原油船军用船舶军用船舶技术技术导弹驱逐舰导弹驱逐舰l 美国伯克级导弹驱逐舰 军用船舶军用船舶技术技术核动力核动力航空母舰航空母舰l 美国 卡尔文森号(1982)军用船舶军用船舶技术技术核动力核动力航空母舰航空母舰美国美国 Stennis (CVN-74)号号 (1998年服役)l 高高速速操操纵纵性性试试验验加州海面，2001年4月20日军用船舶技术军用船舶技术航空母舰（新方

6、案）航空母舰（新方案） CVN77 尼米兹级和CVNX级的过渡新动力系统、隐身技术英未来型英未来型FSCFSC隐身舰隐身舰瑞典隐身舰隐身舰 VISBY CLASSVISBY CLASS已在2001年服役，一共建造六艘世纪之交的隐身水面舰艇世纪之交的隐身水面舰艇l 美美国国隐隐身身舰舰 Z ZU UM MW WA AL LT T D DD D2 21 1 一万吨级，集成电力推进，舰地导弹美国“海狼”(SSN-21)核潜艇水下8060t, 潜深610m, L/B=8.3 , 航速 35kn 总声级 122dB(低速)130dB(航速20kn)l八个 660mm 鱼雷管l携 50枚 M-48鱼雷 或

7、导弹美国 VIRGINIA (NSSN-774)核潜艇7300t，L=114.9m，L/B=11，V=28kn耐压壳外12个巡航导弹垂直发射筒8具533mm鱼雷/反舰导弹发射管(26枚) 潜艇隐身技术现状潜艇隐身技术现状l美国新概念隐身潜器高速单体船高速单体船( ( ( (排水排水排水排水/ / / /水翼水翼水翼水翼) ) ) )汽车渡船汽车渡船比利时 F. G. Lorca 号，200车/800客，38kn，2001年浮力型高速单体船超细长体高速单体船l日本住友重工1993年 技术方案技术方案l卵形水下剖面 载货1000t 航速50knl推进动力超导电机 浮力型高速单体与多体船浮力型高速单

8、体与多体船 小水线面双体船SWATHl KAIMALINO 号 1973年，世界上第一艘浮力型高速船 小水线面双体船 SWATHl NAVETECHI(美国)浮力型高速船 小水线面双体船SWATHl TAGOS 19浮力型高速船 我国第一艘我国第一艘 SWATH (220220吨吨)l海关监管艇 (二年)浮力型高速船 斜支柱小水线面双体船 560tl 隐身试验艇“海幽灵”号 (美国 一九九三年)浮力型高速船 多用途高速四体船 SLICEl消波船型的前后体布置形式l横跨抗扭箱的布置方式浮力型高速船l TRITON (英国)(二年) 世纪之交的多体舰艇世纪之交的多体舰艇 英国三体舰（应用方案）水动

9、升力型高速船及水翼船l 自控双水翼船水动升力型高速船及水翼型复合船l有义波高 6ml航速 45knl附加波浪阻力系数 仅0.221世纪高速水翼型复合船XTW-4 XTW-4 地效翼船地效翼船 (1999) 我国的海上试验与实用艇空气动力型高速船空气动力型高速船掠海地效翼船俄俄“雌鹞雌鹞”型导弹攻击艇型导弹攻击艇 (400吨级 ) 船舶结构设计的发展船舶结构设计的发展直接设计法直接设计法 设计技术大规模更新 按规范设计 与计算机技术相结合: “直接设计方法” 船体结构设计方法一直在改进船体结构设计方法一直在改进船体结构初步设计结构有限元分析强度评估 屈服准则 屈曲准则 疲劳准则设计载荷 对强度

10、对屈曲 对疲劳结构加强的建议 板厚 面板尺寸 纵梁布置主要构件尺度的更改动载荷分析船舶运动船舶加速度水动力压力结构最终设计舱内液体运动分析(晃荡载荷)针对液体晃荡的结构加强建议 板厚 加强筋尺寸船级社规范Advanced Design Method先进设计方法(Design by Rule) From Rule Fomulato Direct Calculation (Design by Analysis)从用规范公式(规范设计)发展为直接计算(分析设计) ImprovedBuckling Damage Decreased 屈曲破坏减少了。 even though thinner stiffe

11、ned panelFatigue Damage 由于各种焊接结构 Not decreased yet 的多样性 due to complicated 和复杂性， phenomena under 疲劳破坏未减少。 various welded structure改进之处：使加筋板更薄，用NASTRAN作结构分析直接设计法对船舶力学的需求直接设计法对船舶力学的需求l直接设计法的核心是对外载荷和结构破坏机理的了解并能作出正确的预报，这正是船舶力学的范畴。当代船舶当代船舶结构结构力学的主要内容力学的主要内容 环境条件 载荷 准静态结构响应(强度、稳定性) 动态响应 极限强度 疲劳与断裂 设计原理与准则

12、 设计方法(1) 环境与载荷环境与载荷l在设计阶段“合理”地预估在波浪上的船舶承受的载荷 船舶设计的基础l舰船更须在汹涌海浪中航行 合理地描述环境、评估载荷悠关重要。 (2) 结构强度结构强度主要研究范围：在已知载荷下的强度分析 及结构的极限承载能力1) 强度分析 ：l有限元分析方法：结构有限元分析模型与分析技术广泛的应用。载荷/强度分析相结合的“直接分析方法” 载载荷荷/ /强强度度分分析析相相结结合合的的直直接接分分析析方方法法应力长期预报应力长期预报应力合成应力合成所有设计变量的概率分布长期应力分布安全因子破坏概率基于可靠性方法的强度评估基于载荷和抗力因子方法的强度评估目标可靠性各载荷分

13、量的应力操纵波浪统计各载荷分量的应力操纵波浪统计结构分析结构分析应力的短期预报频率分析结构分析波浪载荷的长期预报应力传递函数应力的时间历程波谱结构分析超越概率Q波浪载荷的短期预报操纵波浪统计简化公式计算载荷规则波中船舶运动和波浪载荷分析规则波中船舶运动和波浪载荷分析非规则波中船舶运动和波浪载荷分析波浪载荷传递函数波谱结构构件的选择操纵（半经验法）分析的条件载荷条件波浪统计波谱（可靠性方法）(2) 结构强度结构强度2) 极限承载能力极限承载能力评定评定 预测在超负荷（包括事故载荷）作用下，船体结构及其部件因屈曲(失稳)、屈服和大变形引起的延性塌垮状况。 (3) 疲劳与断裂疲劳与断裂 l 世界上主

14、要船级社都给出了 船舶结构疲劳评估的规则与指南。总 结 船舶结构设计的发展是直接设计法，直接设计法对造船工作者提出了更高的要求。 lCCS规范内河船强度计算示例l渝申300箱集散两用标准船弯曲强度与扭转强度计算中 国 船 级 社钢质内河船舶建造规范(2009)l适用于航行于内河水域船长大于或等于20m和小于或等于140m的焊接结构钢质民用船舶。l总纵弯曲强度校核l下面以大开口集装箱船为例说明总纵弯曲强度与扭转强度计算内容与衡准l渝申300箱集散两用标准船 l长江A级 l总纵强度计算书总纵强度计算书 l 一一. 概况概况 l 用途 : 装载集装箱 l 主尺度及主要参数 l 计算工况数.LL= 2

15、0l 航行工况数.Ls= 4l 计算船长.Lc= 102.10 ml 两柱间长.Lp= 102.10 ml 型宽.B1= 17.20 ml 型深.Dm= 5.20 ml 设计吃水.d = 4.00 ml 方形系数.Cb= 0.860l 水线面系数.Cw= 0.935l 货舱口宽度.b = 12.700 ml 货舱口长度.Lh= 75.60 ml 舱壁间距.Lbh 75.60 ml 本船不设置舱口盖 l 甲板大开口尺度比 b / B1 = 0.738 Lh / Lbh =1.000l 船舶主尺度比 L / D = 19.635 B / D = 3.308l二二.计算依据计算依据 l l 1 提供

16、的图纸资料(图号:总布置图CGY480-100-03,线型图CGY480-100-04，基本结构图 CGY480-110-03，横剖面图CGY480-110-04，重量分布资料) l 2 中国船级社:内河船舶计算软件(Compass)l 3 中国船级社:钢质内河船舶建造规范（2009）l 三三.总纵弯曲外力计算总纵弯曲外力计算l 1.计算工况及重量分布l 工况 装载状况 总重量(t) 重心距舯(m)l No. 1 满载出港（4+1） 6080.07 -0.5995l No. 2 满载到港（4+1） 6007.17 -0.4744l No. 3 满载出港（平均） 6079.93 -0.9063l

17、 No. 4 满载到港（平均） 6007.03 -0.7849l No. 5 首1/4装载（4+1） 2510.17 12.0065l No. 6 首1/4卸载（4+1） 2437.27 12.6919l No. 7 首2/3装载（4+1） 4491.59 8.1502l No. 8 首2/3卸载（4+1） 4418.69 8.4646l No. 9 尾1/4装载（4+1） 2510.46 -15.0250l No.10 尾1/4卸载（4+1） 2437.56 -15.1482l No.11 尾2/3装载（4+1） 4494.38 -9.7575l No.12 尾2/3卸载（4+1） 4421

18、.48 -9.7385l No.13 首1/4装载（平均） 3205.47 6.7303l No.14 首1/4卸载（平均） 3132.57 7.1408l No.15 首2/3装载（平均） 4803.52 5.5856l No.16 首2/3卸载（平均） 4730.62 5.8397l No.17 尾1/4装载（平均） 3205.91 -10.2825l No.18 尾1/4卸载（平均） 3133.01 -10.2680l No.19 尾2/3装载（平均） 4803.97 -7.8847l No.20 尾2/3卸载（平均） 4731.07 -7.8381l分站重量(t) (略)l 静水切力包

19、络线值 静水弯矩包络线值l 站距 Fs Msl No (KN) (KN-M)l 0 0.00 0.00l 1 1099.62 3004.22l 2 1950.15 10702.83l 3 2759.65 22745.93l 4 3003.97 37705.19l 5 3012.44 53123.44l 6 3673.66 67953.84l 7 3604.57 80959.26l 8 4121.15 91137.16l 9 2750.84 97771.94l 10 1657.52 100000.63l 11 2594.66 96746.56l 12 3741.50 87259.05l 13 3

20、893.44 70945.65l 14 4867.95 54992.64l 15 3508.46 47680.54l 16 2509.86 38870.91l 17 2455.93 28047.13l 18 2498.57 15104.95l 19 1600.81 4397.32l 20 0.01 0.00l 2. 垂直波浪附加弯矩(按32.2.4.5)l Mw(+)=a*Khog*L2*B*Kcb= 58937.52 kN-ml Mw(-)=-a*Ksag*L2*B = -64832.81 kN-ml 式中 L = 102.10 ml B = 17.20 ml Kcb=0.404+0.612

21、*Cb+0.116*Cb2= 1.016l Khog=(83.0+6.95L-0.045L2).10-3= 0.323l Ksag=(367.0+3.01L-0.03L2).10-3= 0.362l a=1.0 A级航区;a=0.45 B级航区;a=0.07 c级航区l 波浪附加弯矩Mw值沿船长分布见3图2.2.4.5。l 3. 垂直波浪附加切力(按32.2.4.6)l Fw()=aF*K1*K2*L*B= 1880.48 kNl Fw()=aF*K1*L*B= -2022.02 kNl 式中 L = 102.10 ml B = 17.20 ml FK1=(1423.0+7.55*L-0.1*

22、L*2)*10-3= 1.151l FK2=0.5+0.5*Cb= 0.930 当Cb0.6,取Cb=0.6l a=1.0 A级航区;a=0.45 B级航区;a=0.07 c级航区l 波浪附加切力Fw值沿船长分布见3图2.2.4.6。 l 4. 波浪扭矩(按32.2.5.2)l MT=a*KT*L*B3*(1.75+1.5*Zs/D)= 40979.3047 kN-ml 式中 KT=(0.88L-0.0051L2-2.8).10(-3)=0.03388l d =4.000 ml Zs=2.003 ml D =5.200 ml a=1.0 A级航区；a374L-1.482 B级航区;a0.04L

23、0.366 C级航区l 波浪扭矩MT按下式分布:l MT(X)=MT*COS(PI*X/L) kN-m l 5. 货物扭矩(按32.2.5.3)l MTc=15.7*B*Nb*Nt= 6751.0000 kN-ml 式中 B= 17.20 ml Nb= 5l Nt= 5l MTc在船长两端为零,由两端向船中按直线分布 l 波浪合成切力包络线值 波浪合成弯矩包络线值 波浪扭矩和货物扭矩l 站距 Fw+Fs Mw+Ms MT MTCl No (KN) (KN-M) (KN-M) (KN-M)l 0 0.00 0.00 0.00 0.00l 1 1280.48 9737.56 1002.84 675

24、.10l 2 1622.11 18640.67 3913.18 1350.20l 3 3512.93 26407.73 8446.14 2025.30l 4 3411.58 42530.75 14158.00 2700.40l 5 2672.44 55957.83 20489.65 3375.50l 6 2419.29 65125.88 26821.31 4050.60l 7 1783.18 72093.25 32533.17 4725.70l 8 1319.78 80252.38 37066.13 5400.80l 9 913.33 80209.76 39976.47 6075.90l 10

25、 401.60 79440.57 40979.30 6751.00l 11 865.37 78408.66 39976.47 6075.90l 12 1346.57 77129.78 37066.12 5400.80l 13 1781.18 75755.02 32533.16 4725.70l 14 2224.98 65379.23 26821.30 4050.60l 15 2221.61 55185.82 20489.65 3375.50l 16 2161.34 45138.43 14158.00 2700.40l 17 2623.14 34142.91 8446.13 2025.30l 1

26、8 1959.67 21685.31 3913.17 1350.20l 19 1012.30 10187.10 1002.83 675.10l 20 0.01 0.00 0.00 0.00l 四、码头装卸及静水工况时的强度和屈曲校核四、码头装卸及静水工况时的强度和屈曲校核 l 1. 强度校核 (按32.2.4.7) l 1.1 应力计算 l 应力计算公式 s=Ms/W103 N/mm2 l 1.2 校核剖面l 剖面号 No1 No2 No3 No4 No5 No6 No7l 肋位号 26# 28# 52# 87# 119# 152# 154#l 1.3 应力计算 l 单位: W-cm3 I-c

27、m4 M-kN-m -N/mm2计算剖面号 No1 No2 No3 No4 No5 No6 No7 节点号 4 4 7 11 15 19 19 剖面模数 甲板Wd 896946.20 1454648.22 1467448.03 1467448.03 1467448.03 1454170.94 867389.79 船底Wb 867902.95 1705070.83 1782572.08 1782572.08 1782572.08 1684382.53 976511.90 顶板Wh - 1072455.78 1086500.26 1086500.26 1086500.26 1070556.43 -

28、 静水弯矩 Ms 21648.96 21648.96 65687.88 99913.32 59430.11 18755.63 18755.63 静水应力 甲板Nd137 24.14 14.88 44.76 68.09 40.50 12.90 21.62 船底Nb137 24.94 12.70 36.85 56.05 33.34 11.14 19.21 顶板Nh175 - 20.19 60.46 91.96 54.70 17.52 -l l 本船码头装卸及静水工况时的应力指标满足本船码头装卸及静水工况时的应力指标满足CCS规范的要求规范的要求.l 2. 屈曲强度校核(按32.2.6)l 2.1

29、甲板板、船底板、甲板纵骨和船底纵骨屈曲强度校核l 屈服极限 y235 N/mm2l 甲板板最大压应力 d=|Msmax|/Wd103 N/mm2l 船底板最大压应力 b=|Msmax|/Wb103 N/mm2l 欧拉应力 e=76(100*tb/s)2 N/mm2 l ey/2 时 临界力cr=e l ey/2 时 临界力cr=y(1-y/(4*e) l 板屈曲校核： l 构件 压应力 欧拉应力e 许用临界应力cr 压应力/临界应力l 甲板板 68.09 984.96 220.98 0.31l 船底板 56.05 177.91 157.40 0.36l 纵骨屈曲校核：l 构件 压应力 欧拉应力

30、e 许用临界应力cr 压应力/临界应力l 甲板纵骨 68.09 1483.93 167.18 0.41l 船底纵骨 56.05 892.26 162.61 0.34l l 本船屈曲强度满足本船屈曲强度满足CCS规范的要求。规范的要求。l 3. 剪切强度校核(按32.2.4.11) l 3.1 静水切力计算l FWmax 4121.15 kN FHmax 4867.95 kNl i=Ki*i*|Fmax|*S/(I*(t)*2)*102 N/mm2l 舷侧外板和内舷板的剪切许用应力:=80 N/mm2l 计算剖面号 52# 119#l 剪切应力 剪切应力l 舷侧外板 24.14 20.44l 内

31、舷板 34.49 29.20l l 本船剪切稳定性校核满足本船剪切稳定性校核满足CCS规范的要求。规范的要求。l 4. 舷侧外板、内舷板及纵舱壁板剪切屈曲校核(32.2.6.5)l 4.1 剪切欧拉应力 e=18.54*K*(100tb/s)2 N/mm2l 式中 tb为扣除腐蚀后的厚度l y=y/(3*0.5)=135.68N/mm2l ey/2 时 临界力cr=e l ey/2 时 临界力cr=y(1-y/(4*e) l 计算剖面号 52# 119#l 舷侧外板 内舷板 纵舱壁板 舷侧外板 内舷板 纵舱壁板l 欧拉应力e 245.15 245.15 - 258.30 258.30 -l 临

32、界应力cr 116.91 116.91 - 117.86 117.86 -l /cr 0.21 0.30 - 0.17 0.25 -l l 本船舷侧外板及内舷板剪切屈曲校核满足本船舷侧外板及内舷板剪切屈曲校核满足CCS规范的要求。规范的要求。l 五、航行工况时的波浪合成应力和屈曲校核五、航行工况时的波浪合成应力和屈曲校核 l 1. 波浪合成应力强度校核 l 1.1 波浪合成应力计算(按32.2.4.9) l 波浪合成应力 w=(Ms+Mw)/W103 N/mm2 l 1.2 校核剖面l 剖面号 No1 No2 No3 No4 No5 No6 No7l 肋位号 26# 28# 52# 87# 1

33、19# 152# 154#l 1.3 应力计算 l 单位: W-cm3 I-cm4 M-kN-m -N/mm2l 计算剖面号 No1 No2 No3 No4 No5 No6 No7l 节点号 4 4 7 11 15 19 19l 剖面模数 l 甲板Wd 896946.20 1454648.22 1467448.03 1467448.03 1467448.03 1454170.94 867389.79l 船底Wb 867902.95 1705070.83 1782572.08 1782572.08 1782572.08 1684382.53 976511.90l 顶板Wh - 1072455.7

34、8 1086500.26 1086500.26 1086500.26 1070556.43 -l 波浪合成弯矩 l Mv 25700.25 25700.25 63725.08 79470.70 68265.35 25199.31 25199.31l 波浪合成应力l 甲板wd157 28.65 17.67 43.43 54.16 46.52 17.33 29.05l 船底wb157 29.61 15.07 35.75 44.58 38.30 14.96 25.81l 顶板wh195 - 23.96 58.65 73.14 62.83 23.54 -l l 本船航行工况时的波浪合成应力指标满足本船

35、航行工况时的波浪合成应力指标满足CCS规范的的要求规范的的要求.l 2. 屈曲强度校核(按32.2.6)l 2.1 甲板板、船底板、甲板纵骨和船底纵骨屈曲强度校核l 屈服极限 y235 N/mm2l 甲板板最大压应力 d=|Ms+Mw|/Wd103 N/mm2l 船底板最大压应力 b=|Ms+Mw|/Wb103 N/mm2l 欧拉应力 e=76(100*tb/s)2 N/mm2 l ey/2 时 临界力cr=e l ey/2 时 临界力cr=y(1-y/(4*e) l 板屈曲校核： l 构件 压应力 欧拉应力e 许用临界应力cr 压应力/临界应力l 甲板板 54.16 984.96 220.9

36、8 0.25l 船底板 44.58 177.91 157.40 0.28l 纵骨屈曲校核：l 构件 压应力 欧拉应力e 许用临界应力cr 压应力/临界应力l 甲板纵骨 54.16 1482.42 167.18 0.32l 船底纵骨 44.58 950.07 163.31 0.27l l本船屈曲强度满足本船屈曲强度满足CCS规范的要求。规范的要求。l 3. 剪切强度校核(按32.2.4.11) l 3.1 波浪合成切力计算l FMmax 3512.93 kN FM2max 2623.14 kNl i=Ki*i*|Fmax|*S/(I*(t)*2)*102 N/mm2l 舷侧外板和内舷板的剪切许用

37、应力:=91 N/mm2l 计算剖面号 52# 119#l 剪切应力 剪切应力l 舷侧外板 15.31 19.97l 内舷板 21.87 28.53l l 本船剪切稳定性校核满足本船剪切稳定性校核满足CCS规范的要求。规范的要求。l 4. 舷侧外板、内舷板及纵舱壁板剪切屈曲校核(32.2.6.5)l 4.1 剪切欧拉应力 e=18.54*K*(100tb/s)2 N/mm2l 式中 tb为扣除腐蚀后的厚度l y=y/(3*0.5)=135.68 N/mm2l ey/2 时 临界力cr=e l ey/2 时 临界力cr=y(1-y/(4*e) l 计算剖面号 52# 119#l 舷侧外板 内舷板

38、 纵舱壁板 舷侧外板 内舷板 纵舱壁板l 欧拉应力e 177.12 177.12 - 198.12 198.12 -l 临界应力cr 109.70 109.70 - 112.45 112.45 -l /cr 0.14 0.20 - 0.18 0.25 -l l本船舷侧外板及内舷板剪切屈曲校核满足本船舷侧外板及内舷板剪切屈曲校核满足CCS规范的要求。规范的要求。l 六六. 弯扭组合应力强度校核弯扭组合应力强度校核(32.2.5.4) l 6.1 波浪合成应力 v=(Ms+Mw)/W103 N/mm2 l 弯扭组合应力 c=v+ N/mm2 l 6.2 校核剖面l 剖面号 No1 No2 No3

39、No4 No5 No6 No7l 肋位号 26# 28# 52# 87# 119# 152# 154#l 6.3 应力计算 l 单位: W-cm3 I-cm4 M-kN-m -N/mm2l l 计算剖面号 No1 No2 No3 No4 No5 No6 No7l 节点号 4 4 7 11 15 19 19l 波浪合成应力l 甲板wd 28.65 17.67 43.43 54.16 46.52 17.33 29.05l 船底wb 29.61 15.07 35.75 44.58 38.30 14.96 25.81l 翘曲应力 l 甲板 5.76 64.95 43.68 1.93 35.85 58.

40、38 3.25l 船底 6.29 71.11 51.05 2.25 41.90 62.36 4.12l 弯扭合成应力l 甲板cd157 34.41 82.62 87.10 56.08 82.37 75.71 32.30l 船底cb157 35.90 86.18 86.79 46.83 80.20 77.32 29.92l 本船弯扭合成应力指标满足本船弯扭合成应力指标满足CCS规范的的要求规范的的要求.l 6.4 扭转变形及舱口对角线伸长(按38.2.3.1)l 大开口范围内平均扭转角l ANG.=(ANG.(19)-ANG.( 4)/Lh*57.3 deg/ml =0.012188 deg/m

41、l l 舱口对角线伸长l D=SQR(W1+W2+l)2+(b1+b2+B1)2)l Do=SQR(l2+B12)l 对角线伸长 D-Do= 15.020 mml l本船不设置舱口盖本船不设置舱口盖,按按CCS规范的规定本条不作要求。规范的规定本条不作要求。l 七七. 基本剖面模数校核（按基本剖面模数校核（按32.2.2.1及及8.2.1）l 规范要求的甲板、船底剖面模数 W0 =Ki*a*K1*K2*L*B*D= 10065.18 cm2-ml 本船航区系数a= 1.000l K1=0.303L0.3+36.2/L+0.628=0.9404l K2=2.44-2.89*Cb+1.4*Cb2=

42、0.9950l Ki=1.1780l 甲板剖面模数 Wd= 14674.48 cm2-ml 船底剖面模数 Wb= 17825.72 cm2-ml l 船舶舯剖面模数满足船舶舯剖面模数满足CCS规范的要求规范的要求(WdW0,WbW0).l 规范要求舯剖面惯性矩 I0=3.0*W0*L*10-2= 26171.18 cm2-m2l 船舶舯剖面惯性矩 I = 41853.05 cm2-m2l 船舶舯剖面惯性矩满足船舶舯剖面惯性矩满足CCS规范的要求规范的要求(II0).l 结论结论l 本船总纵弯曲应力满足CCS规范的要求。l 本船甲板与船底板屈曲强度满足CCS规范的要求。l 舷侧外板及内舷板剪切稳

43、定性校核满足CCS规范的要求。l 舷侧外板及内舷板的剪切应力满足CCS规范的要求。l 船舶舯剖面模数满足CCS规范的要求(WdW0或WbW0)。l 船舶舯剖面惯性矩满足CCS规范的要求(II0)。内河船局部强度计算示例l3000t沥青船改甲板船沥青船改甲板船l局部强度计算书局部强度计算书l长江长江A级级l二、有限元计算模型二、有限元计算模型l1 取船中部货舱区#67#147，即1/2+1+1/2舱段，采用三维有限元模型进行计算。坐标系 ：X沿船长方向向首为正，Y向左舷为正，Z向上为正，右手法则，坐标原点取在#67纵中剖面处。l由于有中纵槽型舱壁，所以结构不对称于中纵剖面，故模型化全部左右舷舱段

44、结构。l有限元网格划分：沿船体纵向按肋距划分，沿船体横向按纵骨间距划分。l船底板、内底板、船侧板、内舷板、甲板板、纵横槽型舱壁板及实肋板、纵桁材等高腹板用Shell63单元离散，计及实肋板开口，开口加强材等用Link8单元离散，纵骨、肋骨等用Beam188单元离散，共划分成38278个节点，50036个单元，有229668个自由度。实肋上开孔按钢质内河船舶建造规范(2008)的规定，用删除开孔区单元的办法处理。l有限元离散图见图1。l图1 舱段有限元模型l2、边界条件l在模型端面#67和#147的剖面形心处各创建一个刚性节点n1,n2，它与端面上各纵向构件的节点用CERIG命令连接形成刚性面

45、然后约束#67端面形心刚性节点n1的Ux=0、Uy=0、Uz=0和ROTX=0 、ROTZ=0。约束#147端面形心刚性节点n2的 Uy=0、Uz=0和ROTX=0 、ROTZ=0。边界条件，见图2。l三、计算工况三、计算工况l计算工况：l工况1：满载波浪中垂l工况2：满载波浪中拱l图2 边界条件 l四、计算载荷四、计算载荷l1工况工况1：满载波浪中垂 l按A级波高hW=2.5 m,斜浪使波长等于船长，采用余弦波按吃水d=3.7m计算得到各站波面高度，然后用Excel程序拟合波面曲线,见图3（1）,得到67147范围的波面方程：l l图3（1） 67147范围波面中垂曲线l沿船长的舷外水压力：

46、q(x) = 9.81e-6 z(x) N/mm2l式中： =1.0 t/m3l舷侧水压力：按线性分布。l货载量：W =3838 t，平均施加到货舱区的甲板板上， p = 39.842e-3 N/mm2l式中：A为货舱区的甲板面积 l2工况工况2：满载波浪中拱l按A级波高hW=2.5 m,斜浪使波长等于船长，采用余弦波按吃水d=3.7m计算得到各站波面高度，然后用Excel程序拟合波面曲线,见图3（2）,得到67147范围的波面方程：l l沿船长的舷外水压力：q(x) = 9.81e-6 z(x) N/mm2l式中： =1.0 t/m3l舷侧水压力：按线性分布。l货载量：W =3838 t，平

47、均施加到货舱区的甲板板上， p = 39.842e-3 N/mm2l式中：A为货舱区的甲板板面积。lmml图3（2） 67147范围波浪中拱波面曲线l结构自重由程序自动施加。l满载波浪中垂载荷分布见图4；l满载波浪中拱载荷分布见图5。l图4满载波浪中垂载荷分布l图5满载波浪中拱载荷分布l五、计算结果五、计算结果 l工况1 各项云图l图6整个舱段满载波浪中垂变形图，DMX= 9.118 mml图7整个舱段沿船长方向的正应力云图，115.855 N/mm2l图8整个舱段的Von mises 应力云图，120.242 N/mm2l图9船底板应力云图，40.548 N/mm2l图10船侧板应力云图，3

48、4.864 N/mm2l.l图26实肋板应力云图，42.877 N/mm2l图27舷侧肋骨应力云图，57.108 N/mm2l图28甲板横梁应力云图，47.757 N/mm2l图29舱围板应力云图，64.901 N/mm2l工况2各项云图l图30整个舱段满载波浪中拱变形图，DMX=6.281 mml图31整个舱段的Von mises 应力云图，145.306 N/mm2l其它各构件应力云图与工况1类似，略 l图6工况1整个舱段满载波浪中垂变形图l图7工况1整个舱段沿船长方向的正应力云图l图8工况1整个舱段的Von mises 应力云图l图30工况2整个舱段满载波浪中拱变形图l六、强度校核六、强

49、度校核l各工况舱段主要构件最大应力与相应的许用应力比较（见下表）。l许用应力按中国船级社:钢质内河船舶建造规范(2008)表14.7.6.1。l应力单位：N/mm2l列表（见下页）列表（见下页）l七、结七、结 论论l综上计算，可得如下结论：l本船货舱区的局部强度满足钢质内河船舶建造规范(2008)规定的许用应力。l舭列板舭列板、船底纵骨应力船底纵骨应力都能满足许用应力要求。CCS规范海船强度计算示例l以下通过80 000 DWT散货船散货船l结构强度有限元直接计算用实例说明 ccs对海船强度计算要求。l80 000 DWT散货船散货船l结构强度有限元直接计算报告l屈服强度l(Yielding

50、Strength) l概述概述l按照按照CCS双舷侧散货船结构强度直接计算指南双舷侧散货船结构强度直接计算指南（2004）（以下简称（以下简称指南指南）要求，采用三）要求，采用三维舱段模型对改造设计的维舱段模型对改造设计的80 000 DWT散货船船体散货船船体结构的（屈服）强度进行了有限元直接计算。结构的（屈服）强度进行了有限元直接计算。主尺度和主要参数主尺度和主要参数l总长总长228.19 ml垂线间长垂线间长220.00 ml型宽型宽43.00 ml型深型深19.00 ml设计吃水设计吃水13.50 ml方形系数方形系数0.8076 l航速航速15.00 Knotsl船级船级CCSl有限

51、元模型有限元模型l取本船N4、N5、N6三个货舱内的主要船体构件建立三维舱段有限元模型；依据设计图纸中的建造厚度以及“安庆”号油船超声波测厚报告中的测厚数据确定各构件的尺寸；按照指南的要求选定计算工况、计算载荷、确定边界条件等，对改造设计的80 000 DWT散货船散货船船体结构的（屈服）强度进行了有限元直接计算。l模型范围模型范围l模型纵向取完整的N5货舱，并向前后各延伸1/2个舱；由于船体结构以及施加的载荷左右对称，宽度方向只取左舷；高度方向取到舱口围板顶。即模型范围为：lNo 6舱 + No 5舱 + No 4 舱 （Fr 61.5 Fr 71.5）l有限元模型如图3.1。l图图3.1

52、654舱段有限元计算模型舱段有限元计算模型单元与网格单元与网格l计算模型中共采用两类单元：l板（板（shell）单元）单元：模拟甲板、舷侧外板、内壳板、外底板、底纵桁、内底板、底边舱斜板、顶边舱斜板、内壳水平桁腹板、横舱壁及其水平桁和垂直桁腹板、实肋板、底边舱隔板、双舷强框架腹板、顶边舱隔板、舱口围板及其面板、肘板的腹板等构件中的板壳结构，板厚为建造厚度减去由测厚报告提取的平均腐蚀厚度。板单元以四边形单元为主，在构件连接和圆弧过渡的地方采用少量三角形单元。l梁（梁（beam）单元）单元：模拟各种构件上的纵骨、加强筋、扶强材、面板等。按照实际情况考虑梁的截面和偏心。l有限元模型的网格大小：横向以

53、纵骨间距（约825）为基准，纵向取肋距的1/6（约733 mm）。四边形单元边长比不超过1:2。l船底纵桁和肋板在高度方向采用的板单元数：中纵桁4个，其他3个。模型规模模型规模l模型中共有：14 194个节点；29 596个单元（其中四边形单元14 739个，三角形单元990个，梁单元13 867个）；静力求解时80 267个自由度。l载荷与边界条件载荷与边界条件计算工况计算工况l在“80 000 DWT散货船 初步完整稳性计算书”（以下简称“装载手册”）中提供了8种载况，见表4.1。l港口装卸状态，波浪弯矩取0.0。应力计算结果应力计算结果l为了尽量避开边界条件对计算结果的影响，取计算模型中

54、间1个货舱（包括横舱壁的垂直桁和水平桁）的应力作为评估结构强度的依据。l板单元应力为单元形心处的中面（膜）应力，梁单元的应力为单元形心处的轴向应力。80 000 DWT散货船散货船结构强度有限元直接计算报告屈曲要求(Buckling Requirement)l概述概述l屈曲计算采用屈曲计算采用指南指南第第8章章8.2.2节规定的节规定的“方法方法二：用简化方法求解板格的屈曲强度二：用简化方法求解板格的屈曲强度”。屈曲评估。屈曲评估分析计算中所使用的输入数据，如板格厚度及材料、分析计算中所使用的输入数据，如板格厚度及材料、工作应力来自本船舱段有限元模型及其应力计算结工作应力来自本船舱段有限元模型

55、及其应力计算结果。果。l本船屈服强度直接计算时采用的是三舱段的半宽有本船屈服强度直接计算时采用的是三舱段的半宽有限元模型。模型范围为：限元模型。模型范围为：lNo 6舱舱 + No 5舱舱 + No 4 舱舱 （Fr 61.5 Fr 71.5）l为了避免边界条件对应力计算结果的影响，取计算为了避免边界条件对应力计算结果的影响，取计算模型中间完整的模型中间完整的N5舱（包括横舱壁的垂直桁和水平舱（包括横舱壁的垂直桁和水平桁）作为评估结构强度的有效范围，该范围如图桁）作为评估结构强度的有效范围，该范围如图1.1所示。所示。80 000 DWT散货船散货船热点应力直接计算报告疲劳强度(Fatigue Strength)l概述概述l本计算报告按照本计算报告按照CCS船体结构疲劳强度指南船体结构疲劳强度指南（2007）（以下简称（以下简称指南指南）的要求，对其几）的要求，对其几个关键部位的疲劳强度进行了热点应力的直接计算个关键部位的疲劳强度进行了热点应力的直接计算和评估。和评估。l载荷载荷