1、船舶结构力学读书笔记Xs1101 宋喜庆 0121102090606n 船舶结构力学涉及的问题n 船舶结构力学的设计目标n 船舶结构力学的发展趋势n 学习目标n 船舶结构力学的研究对象n 船舶结构力学的方法手段CONTENT设计目标设计目标船舶结构应满足以下功能需求：船舶结构应满足以下功能需求：(l)功能性功能性能圆满地装载货物、设备能圆满地装载货物、设备,并能承受船舶寿命期内预期并能承受船舶寿命期内预期的环境载荷的能力。功能性有时也称为适用性。的环境载荷的能力。功能性有时也称为适用性。(2)居住性居住性按照人们的舒适性和效率的现行标准按照人们的舒适性和效率的现行标准,由船舶振动、噪由船舶振动
2、、噪声、运动和其它特征所决定的船舶结构的可接受性。声、运动和其它特征所决定的船舶结构的可接受性。(3)可靠性可靠性结构在规定期限内完成其功能的概率结构在规定期限内完成其功能的概率.(4)可用性可用性 结构用于营运的时间相对于其寿命期所占的比例结构用于营运的时间相对于其寿命期所占的比例.(5)安全性安全性结构遭受各种可能意外后的生存能力结构遭受各种可能意外后的生存能力,包括碰撞、失火包括碰撞、失火、搁浅等等。、搁浅等等。(6)损伤容限损伤容限在特定期限内结构遭受规定程度的损伤后的生存能在特定期限内结构遭受规定程度的损伤后的生存能力力.设计目标设计目标船舶结构同时应满足以下经济性的考虑：船舶结构同
3、时应满足以下经济性的考虑：(7)可制造可制造/修理性修理性结构易于制造、修理和使之到位的属性。结构易于制造、修理和使之到位的属性。(8)可检查性可检查性 结构的重要部位易于在低费用和物资条件下进行检溯。结构的重要部位易于在低费用和物资条件下进行检溯。(9)可维护性可维护性维护结构维护结构,使其功能特性不受损害的属性。使其功能特性不受损害的属性。(1 0)可处置性可处置性 结构易于拆卸、出售或废弃。结构易于拆卸、出售或废弃。(1 1)费用费用结构在寿命周期内的费用。结构在寿命周期内的费用。(12)重量重量影响材料费用以及结构的其它属性。影响材料费用以及结构的其它属性。发展趋势发展趋势设计目标向多
4、元化发展设计目标向多元化发展船舶结构可靠性分析方法的逐步完善和走向实用船舶结构可靠性分析方法的逐步完善和走向实用传统的船舶结构强度计算方法是采用确定性方法:作用在船体上的载荷、结构的响应和材料的力学性质都被当作确定性的单值的量。但是,实际上作用在船舶结构上的载荷及其效应、船舶结构的承载能力都是随机变化的量,这样,作用在船舶结构上的载荷就有可能超过结构的承载能力,这时船舶结构将失效。因此,船舶结构是存在失效的危险的。在1 9 6 7 年Is sC 大会上,“设计哲学”技术委员会(当时的主席是英国J.B.C al dw el 教授)提出了以概率统计为以概率统计为基础的合理的结构设计方法基础的合理的
5、结构设计方法:把作用在船舶结构上的载荷及其效应把作用在船舶结构上的载荷及其效应(“需要需要”一一D em a nd)和结构的承载能力和结构的承载能力(“能力能力”一一Ca p a bil it y)都作为随机变量来都作为随机变量来处理处理,建立载荷(及其效应)和承载能力的统计分布,并和根据船舶营运经验确定的一个可以接受的破坏概率水平结合起来描述结构的安全性。数值计算方法日益广泛采用数值计算方法日益广泛采用以计算机为基础的数值计算方法,例如结构分析,一般是按下述步骤进行的:(1)建立物理问题的数学模型,例如,按线性行为进行结构强度分析的模型;(2)建立数学模型的数值模型,例如采用有限元方法的离散
6、模型;(3)编制进行数值计算的计算机程序,包括前、后处理,建立与其它程序或数据库的交流等。发展趋势发展趋势重视材料和工艺因素对实际船舶结构强度的影响重视材料和工艺因素对实际船舶结构强度的影响传统的结构分析方法是将结构理想化一一认为结构的儿何形状是完善的,构件尺寸是准确的,装配、定位是无误的,材料的力学性质是定值的。但是,实际的船舶结构由于材料因素和建造中工艺因素工艺因素的影响,产生了很多难以避免的缺陷,如初始几何缺陷、初始裂纹、焊接变形、残余应力、装配错位以及材料的缺陷等等一般来说,这些缺陷对结构性能的影响是不利的,它们将降低结构的承载能力和使用寿命,降低结构的安全性。水弹性力学的应用受到重视
7、水弹性力学的应用受到重视水弹性力学是船舶流体力学与船舶结构力学相结合的新兴学科,因为船在水面或水中运动,它的外部或内部总是有水,考虑水与结构的相互作用就很重要了。TIMEAGENDA总纵强度 计算在船纵向分布的重力与浮力作用下的弯曲变形和应力局部强度船底板 底纵行横向强度横梁 肋骨 肋板稳定性问题由于船的尺度的增加，船受总弯曲时受压构件会因过度受压失稳扭转强度问题船与波浪斜交的情况时，船体发生扭转应力集中舱口角隅 上建的端部 内河船舷侧开的波门 等不连续处研究问题研究问题学习目标学习目标具有对船体结构进行强度校核的能力具有对船体结构进行强度校核的能力在船体结构尺寸已知的条件下，在给定的外载荷或
8、工况下，算出结构的应力与变形，并于需用值比较，判断船体结构的强度是否足够具有进行船舶结构设计的能力具有进行船舶结构设计的能力在已知结构的外力及许用应力或变形的情况下，根据结构中算得的应力或变形的大小，算出结构中算得的应力或变形的大小，定出结构的尺寸。力法力法研究对象研究对象力法以单跨梁建立的弯曲要素表和叠加原理为基础，通过以结力法以单跨梁建立的弯曲要素表和叠加原理为基础，通过以结构中某些特殊节点构中某些特殊节点(如支座处、断面变化处、相交节点处如支座处、断面变化处、相交节点处)的节的节点力点力(或力矩或力矩)为基本未知数，以这些节点处的变形连续条件建为基本未知数，以这些节点处的变形连续条件建立
9、方程式，解出未知力，从而将复杂的杆系结构化为一根根在立方程式，解出未知力，从而将复杂的杆系结构化为一根根在节点处相联系的单跨梁。节点处相联系的单跨梁。力法在具体计算时，某对象仍为单跨梁。力法在具体计算时，某对象仍为单跨梁。研究对象研究对象在船舶结构力学中，位移法的主要研究对象为船体结构中的不可动节在船舶结构力学中，位移法的主要研究对象为船体结构中的不可动节点复杂刚架，可动节点简单刚架及简单板架等。点复杂刚架，可动节点简单刚架及简单板架等。理解理解位移法解杆系问题时，将各杆件视为两端刚性固定的单跨梁，然后强位移法解杆系问题时，将各杆件视为两端刚性固定的单跨梁，然后强迫可以发生位移的支座或节点断面
10、产生协调一致的变形，并要满足支迫可以发生位移的支座或节点断面产生协调一致的变形，并要满足支座或节点处力的平衡条件。因此位移法的几何协调条件自行满足，联座或节点处力的平衡条件。因此位移法的几何协调条件自行满足，联系位移与力的关系的物理条件是刚度系数，建立方程式组的条件是力系位移与力的关系的物理条件是刚度系数，建立方程式组的条件是力的平衡条件，基本未知数是位移。的平衡条件，基本未知数是位移。注意注意位移法之杆端弯矩为固端弯矩与杆端发生转角的弯矩之和位移法之杆端弯矩为固端弯矩与杆端发生转角的弯矩之和，即即用位移法解可动节点简单刚架及板架时，先分析结构中有几个节点或用位移法解可动节点简单刚架及板架时，
11、先分析结构中有几个节点或支座会发生转角及线位移支座会发生转角及线位移(挠度挠度)，并把它们作为未知量。然后对每一，并把它们作为未知量。然后对每一个发生转角的节点或支座处列弯矩平衡方程式，对每一个发生线位移个发生转角的节点或支座处列弯矩平衡方程式，对每一个发生线位移的节点或支座处列剪力平衡方程式，未知数的数且与方程式的数目相的节点或支座处列剪力平衡方程式，未知数的数且与方程式的数目相同。同。位移法位移法ijijijMMM位移法位移法 例题例题 图示刚架，己知图示刚架，己知 。试用位移。试用位移法求解。法求解。0240230123,2.2m,6llllllkN/m2.88;8,3,m106.020
12、2402344012qIIIIII1234q位移法位移法解解：(1)将将1、2、3节点加固成固定端，因此有三个未知节点加固成固定端，因此有三个未知数数 。(2)计算固端弯矩计算固端弯矩 321,ijM0 00 012212124000 02142000 02332,151033(3)(3)15121021(3)(3)101250Q lQ lMMQQMllQ lQQMllQ lMM 12kN/m05.223122.882q3m9m241Q2Q0Q020109,6,kN/m05.22QQQQQ位移法位移法(3)计算由转角计算由转角 引起的杆端弯矩引起的杆端弯矩 (4)列节点平衡方程列节点平衡方程
13、节点节点1：节点节点2：节点节点3：节点节点4：321,01212 MM0242321242321MMMMMM03232MM424242MMM20042424224244220042424224242430020032323223233220010032323223232320010021212112122120010021212112121231642,332242.2122.2642,2.262.212248444,4824lEIlEIlEIMlEIlEIlEIMlEIlEIlEIlEIMlEIlEIlEIlEIMlEIlEIlEIlEIMlEIlEIlEIlEIM位移法位移法(5)将各参
14、数代入节点将各参数代入节点1、2、3的平衡方程式后得：的平衡方程式后得：将上式经整理后得：将上式经整理后得：02.2122.2603322.262.2128410331004815300200200300200200100000020010000lEIlEIlEIlEIlEIlEIlEIlQlQlEIlEIlQ0228.55.48.396.66023200032100021EIlQEIlQ位移法位移法 求解上式得：(6)回代求杆端弯矩：02001020020200107628.0,15255.0,06794.0EIlQEIlQEIlQmkN448.49715255.0316521mkN012.
15、1666728.115255.03321033mkN936.61)07628.0(2.2615255.02.212mkN076.10415255.0806794.041000004242420000002424240000232323000000212121lQlQMMMlQlQlQMMMlQlQMMMlQlQlQMMM研究对象：具有复杂结构，复杂荷载的刚架研究对象：具有复杂结构，复杂荷载的刚架能量法是利用结构在外载荷作用下的功及应变能的概能量法是利用结构在外载荷作用下的功及应变能的概念解决计算问题的方法，它在结构分析中应用甚广。念解决计算问题的方法，它在结构分析中应用甚广。理解理解采用能量原
16、理描述结构的平衡与变形连续条件采用能量原理描述结构的平衡与变形连续条件能量法能量法能量法的基本原理，包括虚位移原理及虚力原理。能量法的基本原理，包括虚位移原理及虚力原理。虚位移原理等价于结构的平衡条件，因此基于虚位移原理等价于结构的平衡条件，因此基于虚位移原功方法是位移法。由虚位移原理可导出位能虚位移原功方法是位移法。由虚位移原理可导出位能驻值原理，最小势能原理的计算公式。常用的计算方驻值原理，最小势能原理的计算公式。常用的计算方法是势能驻值原理的近似法，即里兹法。法是势能驻值原理的近似法，即里兹法。虚应力原理等价于结构的变形协调条件，因此虚应力原理等价于结构的变形协调条件，因此基于虚应力原理
17、的方法是力法。由虚应力原理可导出基于虚应力原理的方法是力法。由虚应力原理可导出余能驻值原理。常用的计算方法是最小功原理及卡氏余能驻值原理。常用的计算方法是最小功原理及卡氏第二定理。第二定理。能量法能量法里兹法求解梁的弯曲问题是重点：里兹法可用于求解任意结构里兹法求解梁的弯曲问题是重点：里兹法可用于求解任意结构形式的梁，如变断面梁，有弹性支座、弹性固定端或有弹性基形式的梁，如变断面梁，有弹性支座、弹性固定端或有弹性基础的，在任意载荷作用下的挠曲线。础的，在任意载荷作用下的挠曲线。具体计算步骤如下：具体计算步骤如下：(1)建立梁的坐标系。建立梁的坐标系。(2)将梁的挠曲线写成级数形式将梁的挠曲线写
18、成级数形式 (3)计算梁的应变能计算梁的应变能V梁本身的弯曲应变能梁本身的弯曲应变能 梁上弹性支座的应变能梁上弹性支座的应变能 梁上弹性固定端的应变能梁上弹性固定端的应变能 梁在梁在axb中有刚度为中有刚度为k的的弹性基础，则还要加上弹性基础的弹性基础，则还要加上弹性基础的应变能应变能能量法能量法iiixaxv)()(201()d2lVE IvxxAvV2222vVbaxkvVd212计算梁的力函数时，它等于梁上外力与对应的位移的计算梁的力函数时，它等于梁上外力与对应的位移的乘积之和。对于所取的乘积之和。对于所取的v(x)，计算时要注意外力的方，计算时要注意外力的方向是否与位移方向一致。在一般
19、情况下，力函数为：向是否与位移方向一致。在一般情况下，力函数为：计算结构的总势能计算结构的总势能 ，并将，并将对对ai求偏求偏导，得导，得出出n个联立方程式：个联立方程式：解之可得解之可得ai，代入，代入v(x)的式中得梁的挠曲线，并可进一的式中得梁的挠曲线，并可进一步求出梁的弯矩、剪力等弯曲要素。步求出梁的弯矩、剪力等弯曲要素。能量法能量法()()()()ddcUMv aFv bq x v xxniaUVaii,3,2,1,0)(UV 研究船体结构中矩形薄平板的弯曲问题。要求在结定研究船体结构中矩形薄平板的弯曲问题。要求在结定板的尺度、材料、边界条件及外荷重时能求出板的应板的尺度、材料、边界条件及外荷重时能求出板的应力与变形。力与变形。所用的方法有微分方程式的积分法、能量法。所用的方法有微分方程式的积分法、能量法。作用于船体平板的荷重有两类：作用于船体平板的荷重有两类：一是垂直于板平面的荷重一是垂直于板平面的荷重(横荷重横荷重)二是作用于板中面的荷里二是作用于板中面的荷里(中面荷重中面荷重)。板弯曲理论板弯曲理论THANKStext
