规范法设计及应力集中

第四章船体结构规范法设计

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§5.1

规范法设计的基本考虑

一、建造规范的产生、发展和作用1) 18世纪40年代以前，所有的船舶都凭经验建造，也经历了带有巨大损失的尝试。后来，通过对建造实绩和航行经验的总结与提高，逐渐形成了造船所应遵循的规范。 2) 1723年俄罗斯政治家——彼得大帝颁布了“关于按照新的船样建造河船”的条例。在此条例中规定了船体的基本构件。———规定建造规范的初步措施 3)1760年成立了世界上第一个船级机构——英国劳氏船级协会。起初，船级协会的主要工作是制订船舶登记册，载有关于入级船舶的船体和轮机状况。 4)1835年才出现第一本船级协会颁布的《建造规范》,该规范系英国劳氏船级协会出版。

目前，世界上比较主要的船级社：中国船检局(中国船级社CCS)、美国船检局(ABS)、英国劳氏船级社 (LR)、德国劳氏船级社 (GL)、日本海事协会 (NK)、法国船级社(BV)、挪威船级社(DNV)、意大利船级社(RI.N.A)、俄罗斯船舶登记局(RS)

船级社主要职责：规范监督船的建造，并允许船舶正式“入级”,给它们所登记的船办各种国际协定所要求的证书；此外，还对使用中的船舶作定期检查，以确定这些船是否仍保持在“级”内。

建造规范也为航运、造船相关的制造业和保险业服务1)经过“入级”登记的船，符合公认的健全的建造标准，就等于告诉运货人他并没有冒险脱离实际的风险； 2)船的入级有助于保险公司判断隐含着的危险性质。

二、规范法设计的基本步骤1)根据对母型船的调查研究和所设计船的特殊要求，分析所设计船的船体强度要求，选择合适的建造规范。 2)根据型线图和总布置图，绘制中剖面图、基本结构图和肋骨线型图等草图，并进行结构构件的初步布置。 3)按规范计算船体主要构件的尺寸，边计算、边绘图、边完善初始的结构布置方案。

规范法设计的一般流程图母型船设计船的特殊要求船体强度建造规范

总布置图

主要构件计算书

结构的布置基本结构图肋骨线型图

中剖面图

型线图

确定结构尺寸的一般顺序1)首先选择合适的结构型式，确定肋骨间距(与总体设计师协商决定)。 2 )然后，可按外板、甲板、船底骨架、舷侧骨架、甲板骨架及支柱、舱壁、首尾柱、首尾结构、上层建筑及甲板室、机炉座、总纵强度校核等顺序，查规范公式进行计算，并最后选定结构尺寸，此时，反复也是不可避免的。 3 )还要注意，规范规定的尺寸是保证船舶安全可靠的最

低标准，最后选定的尺寸还要根据船舶的实际使用要求而适当调

整。

三、建造规范的选用在结构设计之前所要做的准备工作： 1)首先要根据设计船的建造材料、航行区域及类型等选择合适规范。 2)规范一经确定，还要检验所设计船是否满足该规范的适用范围。一般规范都在船舶尺度与主要尺度比值和船型及船体的

型式两大方面规定了规范的适用范围。规范基本上是船舶建造经验和航行经验的总结，现有规范不可能脱离已有的造船实践，这也是应用现有规范的最大局限性。

四、结构布置的一般原则和规定结构合理布置，将直接影响船体结构的强度、重量及工艺性等。

一般原则：1)结构的整体性原则 2)受力的均匀性和有效传递原则 3)结构的连续性和减少应力集中原则 4)局部加强原则

基本规定：各规范对结构布置都有一些具体规定。例如：《海船规范》、《河船规范》关于散货船的结构布置一些基本规定如表5-1所示。

五、船体构件的材料级别的钢级由于温度的降低(甚至在常温上),低碳钢的断裂方式也可由“正常的”韧性转变为脆性。大量研究确定：钢材可根据断裂的起始、扩展和止裂的性质来表征。我国《海船规范》将一般船体结构划分为A、B、D、E等四

个钢级。在常温下，当船长大于等于90m时，船体结构用钢应符合表 5-2的要求。当船长小于90m时，船体结构用钢一般可以使用 A/AH钢级。为了防止断裂，全船不同部位的船体构件按其所承受的应力情况分为3个类别，即次要类、主要类和特殊类。

§4.2规范对船体纵向强度的要求《海船规范》对船长大于 65m的船舶，规定船中基本剖面模数W0不小于下式计算值：

W0= CL2 B (Cb+ 0.7)对上述W0值，在1类航区内航行的船舶减小5%;在2类航区航行的船舶减小10%;在3类航区内航行的船舶减小15%。

cm 3

同时又规定，船中剖面模数W尚应不小于按下式求得的值：

Ms+ Mw W=× 103[σ 0]

cm 3

1)作用在船体上的波浪弯矩是中垂、中拱缓慢变化着的交变载荷； 2)在船体结构中有间断构件和各种形式的缺陷，因此在周期性的、波浪载荷作用下船体结构中会发生断裂，即导致船体梁的疲劳断裂。 3)交变应力的来源除了波浪载荷之外，还可能是满载与压载状态的交替变化。

防止疲劳断裂的方法:①当应力存在于非常局部的范围时,控制交变应力的大小，使其低于疲劳极限，便可完全防止任何疲劳损伤累积。②对于范围较大的应力，应使船舶在整个生命期内能经受

累积的疲劳损伤，但不出现明显的断裂危险。

§4.3外板及甲板板的设计船体外板及最上层连续甲板构成了船体的水密外壳，以保证船舶各种性能的实现，并与船体骨架一

起承受并传递各种局部载荷。同时，又作为船体梁的最重要的纵向构件，承受总纵弯曲。

一、外板规范对外板的一般规定：《海船规范》对中部 0.4L和离船端 0.075L(《河船规范》为 0.1L)区域的船体分别按横骨架式和纵骨架式给出了最小板厚计算公式，外板厚度在中部0.4L区域内保持不变。

在同一横剖面内的外板，也根据其所处的部位具有不同的厚度。平板龙骨和舷顶列板在船体梁的最下端和最上端，不仅承受较大的总纵弯曲应力，同时考虑到腐蚀、磨损较大，它们的厚度都分别比船底板及舷侧外板厚，并且还专门规定了它们的宽度。还对局部区域的外板规定了局部加强措施。

二、甲板板《海船规范》除了规定保证船体纵向强度的中剖面模数要求还根据甲板的作用规定了它们的最小厚度。对于只起“平台”作用的甲板，即那些不参加总纵弯曲或对纵向强度的贡献甚微的甲板(如开口线以内及离船端0.075L区域内的强力甲板、下甲板),其构件尺寸均根据所承受的水、货物和设备的局部负荷而定。

对载货部位的强力甲板、下甲板，《海船规范》对甲板负荷不超过40kPa时的下甲板厚度作了具体规定。结构成舱室的水密或油密边界的甲板(深舱甲板或平台),设计时按其能承受的一定水头高度决定尺寸，并且明显要求增加 3.5mm的腐蚀余量。

强力甲板的边板是甲板板中首尾贯通的有效纵向连续构件，它与舷顶列板一起对防止船体断裂起重要作用。《海船规范》除了对其宽度与厚度作了规定外，还对它们的材料级别要求很高。在甲板设计中，要特别注意下面将要讲的甲板开口处的加

强设计及上层建筑与甲板室端部的甲板板设计。在中断了的甲板的延长线上要增设舷侧纵桁，并在中断处用尺寸较大的弧形肘板逐渐过渡。在平台甲板的末端，同样要装设肘板逐渐过渡，以减小应力集中。

§4.4

船体骨架的设计

船体骨架是船体结构的重要组成部分之一，它主要包括：船底骨架、舷侧骨架、甲板骨架和舱壁骨架。

一、船体骨架设计计算的一般注意事项(1)骨架的受力不同，其作用不同，对构件尺寸的要求不同。肋骨、纵骨、横梁、舱壁扶强材、组合肋板骨材等构件的主要对板扶强作用，承受由板传递来的载荷，同时纵骨还是船体梁的重要纵向构件。——根据规范附录直接选用型钢实肋板、底纵桁、内龙骨、强肋骨、舷侧纵桁、强横梁、甲板纵桁、舱壁桁材等构件是船体的主要支撑构件和传力构件。——常采用焊接的T型材

(2)确定骨架尺寸的剖面模数和惯性矩要求时，除另有规定者外，均为连带板的最小要求值。 (3)设

计中应当尽量减少型材的规格。 (4)要特别注意直接承受螺旋桨工作所引起的脉动压力作用的构件的结构形式。 (5)除有特别规定者外，所有船体骨架上不得任意开孔:

布置开口时应注意：1)双底骨架腹板上的人孔应尽量沿船长和船宽直线排列。减轻孔、人孔高度应不大于该腹板高度的一半，否则应予加强。 2)凡间断而不要求水密或油密的构件与连续构件相交时(如肋板与中桁材相交),为了保证焊接质量，避免焊缝集中在一点，应将间断构件的腹板予以切角。 3)一般可利用加大间断腹板的切角的大小来作为所需的流水孔和空气孔，以避免附加的开孔。

在下列部位不得开孔：a).船中部0.75L区域内的中桁材； b).支柱下面部分的实肋板及肋板的端部； c).支柱下面部分靠近横舱壁的前后一个肋距内的底纵桁； d).其它承受效大剪力处。

设计实例1 外板及甲板板的设计

现在以某1200t简易货船的计算书[7]为例，来说明船体外板与甲板的规范计算。 1. 概述

主尺度及比值：

水线长 垂线间长 计算船长L 船宽B 型深D 最大吃水d 肋距s 甲板间高 双层底高度 方形系数Cb 最大开口宽度b 最大开口长度lH lBH

69.16m 66.20m 66.20m 11.20m 4.70m 3.60m 0.60m 1.73m 0.80m 0.75 6.70m 16.80m 24.60m

满足规范 适用条件

LB=5.91>5 ， =2.38≤2.5 ，

BD

Cb=0.75≥0.6

本船为大开口船，按《海船规范》设计，并按计算方法校核总纵强度。

本船为单甲板双底结构，中部甲板及船底采用纵骨架式结构，纵骨间距为0.6m。货舱区舷侧设顶边舱及底边舱。首、尾及舷侧采用横骨架式结构，并具有B级冰区加强。 2.外板 (1)船底板

a.中部0.4L区域内

2.3.1 2.3.1.3,2.3.1.5

mm

t1=0.043s(L1+230)Fb=7.74t2=5.6sd+h1)Fb =7.07 mm

式中s=0.6075m, Fb=1.0 , L1=66.2m,d=3.6m，h1—0.26 C, 计算时取不大于0.2 d，C—系数，C =0.0412L+4,当L＜90 m。实取t=10mm

b.离船端0.075L区域内

2.3.1.4