船舶强度与结构设计授课教案第四章应力集中模块Word格式.docx

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当船舶总纵弯曲时，在甲板启齿角隅外的应力梯度急剧降低，惹起严重的应力集中，形成船体结构的单薄环节。

关于舱口角隅处应力集中确实定，招致去除方角而采用圆弧形角隅，并在角隅处采用加复板或厚板停止增强，同时要采用IV级或V级的资料。

1.启齿的应力集中

关于孔边的应力集中，可用具有小椭圆开孔的有限宽板受位抻的状况来说明〔见以下图〕。

运用弹性实际可求得A、B两点的应力区分为：

〔2〕

式中

为有限远处的拉伸应力；

为椭圆孔在A点的曲率半径；

区分为垂直及平行于拉伸方向的椭圆主轴，负号代表压应力。

假定以分开椭圆孔有限远处的拉伸应力作为基准应力，那么A点的应力集中系数为：

〔3〕

式〔3〕可推行到圆形开孔，此时

。

此外，还可推行运用到钢板中的裂痕〔见以下图〕。

假定在甲板上沿船宽方向出现裂痕，裂痕长为

，可见裂痕尖端处的应力集中是十分大的。

因此，裂痕一经发生，必继续蔓延扩展，直至结构破坏。

假定在裂痕尖端钻一小孔，直径约18mm，便可防止裂痕进一步蔓延，故称为止裂孔。

这就是为何在以前建造的船舶舷边设置铆接的舷边角钢能止裂的缘由。

受位伸的矩形启齿角隅处的应力集中，主要受下述要素的影响。

〔1〕启齿宽度与整个船宽的比值b/B，b/B增大，应力集中系数增大。

〔2〕启齿长宽比a/b，a/b增大，应力集中系数降低。

〔3〕启齿角隅处的外形。

其中启齿角隅处的外形对应力集中系数影响最大。

采用圆弧形角隅的大舱口，依据实船的实验资料，最大应力普通发作在舱口纵边上圆弧终止点内侧约成300角的圆弧边缘上，如以下图所示。

由图可看出，角隅圆弧半径τ与启齿宽度b之比是影照应力集中的主要要素。

时，应力集中系数急剧增大，但事先

，应力集中系数不再变化，这与光弹性实验结果也是分歧的。

舱口角隅采用椭圆形或抛物线形，且长轴沿船长方向，进一点改善了过渡方式，这时的应力集中系数比采用圆弧形的应力集中系数低。

在坚持异样启齿面积状况下，把圆弧改成椭圆或抛物线外形，应力集中系数可降低12%-20%。

所以，近代各船级协会规范在引荐采用这两种外形的角隅时，都不要求在角隅处再加厚板。

因此，这两种方式的角隅不只结构更合理，而且工艺更复杂。

要指出,开孔板的受力状况不同,其应力集中也是不同的,对普通货船,甲板启齿应力集中主要以接受总纵弯曲的拉伸与紧缩应力为对象。

关于大启齿船舶,船体的改动不可无视,此时不只甲板发生切应力,而且还必需思索船体改动发生舱口菱形变形所惹起的应力集中。

特别是对集装箱箱船,这是不容无视的效果。

2、甲板上启齿的设计

〔1〕启齿方位的布置

为防止应力集中惹起结构的破坏，在高应力区域和曾经存在较大应力集中的区域内，应尽量防止开孔。

例如，在强力甲板启齿线以外的区域应尽量少启齿，并须避开舱口角隅；

在船中部桥楼和甲板室的前端壁与货舱角隅之间的强力甲板上，以及下层修建端部的舷顶列板上等处所，也应尽量防止启齿。

如需启齿，启齿的长边应沿船长方向布置。

〔2〕降低启齿应力集中的结构措施

在结构设计时必需充沛留意舱口角隅处的结构细节，对强力甲板上的机炉舱口，货舱口，为降低角隅处的应力集中，可采取如下一些措施；

①采用圆弧形舱口角隅。

此时，角隅半径与舱口宽度之比不小于1/10〔现«

海船规范»

已放宽到1/20〕。

但是，过大的圆角半径会使舱口有效面积增加，从而影响装卸货效率。

此外，为进一步降低舱口角隅的应力集中，在角隅的高应力区还要加厚板或加复板的方法给予增强。

加厚板较原来厚添加4mm（海船）或0.5倍〔内河船〕，加厚的范围如以下图所示，并且加厚板端接缝应与舱口围板的端接缝以及甲板骨架的角接焊缝错开。

由于加厚板与相邻甲板厚度不同，发生了新了不延续性。

形成新的应力集中，同时施工也较费事。

因此，这不是理想的方法。

②采用抛物线或椭圆形舱口角隅。

此时，规范不要求角隅处的甲板加厚板，但角隅处的外形应契合以下图的要求。

椭圆角隅的最正确长短轴之比为3.0～3.5，此时应力集中水平可比相应的圆弧角隅增加23%左右。

文献[12]又指出，关于易受疲劳损伤的重要部位的椭圆形启齿也应予以增强。

运用断裂力学原理的计算和实验说明：

当角隅处存在一定长度的列裂纹时，角隅外形对结构的强度简直没有影响，而设置加厚板那么清楚添加了含裂纹构件的疲劳与断裂强度。

③舱口边缘的甲板纵桁对降低角隅处的应力集中有一定的作用。

但是，假定舱口围板在角隅处突然中缀，会在围板端部发生新的应力集中，所以在舱口围板端部应当采用纵向肘板逐渐过渡。

至于舱口围板在角隅处是做成圆表，还是直方形，对角隅处的应力集中的影响差异不大。

为简化工艺，故多用直角焊接。

④减小启齿间的甲板厚度。

对海船，在下面已指出，启齿之间的甲板厚度是按局部强度要求决议的，它比按总纵强度要求决议的启齿线以外的甲板厚度要薄一些。

对内河船，«

河船规范»

已规则取比启齿线以外的甲板厚度减薄1mm。

减小启齿间的甲板厚度，也就减小了启齿间的甲板结构刚性，因此可降低角隅处的应力集中。

⑤采用一种新型的〝弹性角隅〞。

不是以角隅处的弧形变化来改善结构的延续性，而是在角隅部构成一个光顺的波形，使启齿线以外的甲板和舱口间的甲板局部的联络处于抓紧形状，即以抓紧高应力部位来降低应力集中。

光弹性实验和计算板明：

弹性角隅的应力集中系数比同尺度的椭圆角隅的应力集中系数降低15%左右。

但是，这种角隅的致命缺陷是制造困难。

关于下层甲板机炉舱、货舱口的角隅，普通做成的圆弧形就可以了。

由于在这些中央总纵弯曲应力较小，由应力集中惹起的应力降低也不会很大，但«

对第二甲板还是要求设加厚板，其厚度较甲板添加2.5mm。

关于甲板上的各种小型开孔，那么应依据详细状况予以处置。

凡启齿尺度相对船度来说很小，高应力只在很局部的范围内散布，或许应力集中系数不大，这类启齿可不予增强。

这些启齿有：

①直径不大于20倍板厚的圆形启齿；

②椭圆形启齿的长轴沿船长方向布置，且启齿长度比不小于2；

③其它外形的启齿，假设实验证明其应力集中系数小于2〔对普通强度钢〕，或许小于1.5〔对高强度钢〕的启齿；

④强力甲板启齿线以外，长度〔首尾方向〕不超越2.5m及宽度不超越1.2m或0.04Bm〔取小者〕的甲板启齿，在一个横剖面〔Y-Y〕上的启齿宽度总和〔包括以下图所示〕

阴影区域宽度〕be。

应契合下式要求：

〔4〕

式中B为计算剖面处的船宽，m;

为计算剖面处所思索的启齿宽度的总和，m。

不契合上述要求的小型启齿,那么应予以增强，通常的补偿方法是加厚甲板，以便减小应力集中。

对需求增强的圆形或椭圆形启齿〔不满足上述①和②者〕，«

建议采用套环方式增强启齿边缘〔见以下图〕。

此时，圆环板的剖面积A应不小于按下式计算值：

A=0.5rt（mm2）

〔5〕

式中r——启齿半径，mm，对椭圆形启齿取启齿宽度的一半；

t——甲板厚度，mm

普通，采用加厚启齿周围甲板方法来补偿甲板启齿。

还依据各种受力特点，给出了详细增强措施，需求时可查阅参考。

三、肘板的应力集中

在船体结构中，骨架端部主要是以肘板停止衔接的。

因此，关于肘板的强度及其应力集中的效果，不时是结构研讨的重要方面。

以便合理地确定各种肘板的外形与尺寸。

通常，普通骨材的端部多用三角形肘板，例如，梁肘板、纵骨及舱壁扶强材端部肘板等。

这种外形肘板的端部为不延续点，发生应力集中。

对常用的等边三角形的肘板，肘板的最大应力大约是梁实际计算值的1.7倍。

因此，对强骨材间的衔接，在不延续点处常以半径为r的小圆弧替代。

对这类肘板的研讨说明[17]，假定骨材腹板高度为d；

最大应力发作在圆弧半径r终止处向肘板内缘约10°

之内的点上；

最大应力的大小主要决议于r/d，而与肘板的大小有关。

应力集中系数k可按下式近似确定：

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〔6〕

为强骨材在圆弧半径r终止处的弯曲应力。

由式〔6〕可知，当r/d>

2时，肘板的应力集中水平已较小。

因此，肘板尺寸的大小能保证r/d>

2便已足够。

肘板的外形以圆弧形为最好。

增大圆弧半径可以降低应力集中系数，但当圆弧半径超越骨材腹板高度时，再增大圆弧半径其降低应力集中的效果就不清楚了。

肘板尺寸较大时，例如舭肘板，为减轻结构重量常在其上开减轻孔。

此时，除开孔的近傍外，肘板内的应力散布与不开孔时无多大变化。

因此，减轻孔的位置及大小主要使孔边的应力较小。

当开孔中心距肘板边缘的距离h=0.15D～0.30D时，在孔边距肘板边缘最近点处的应力将与骨材在肘板趾点处的弯曲应力相等。

因此，这样的减轻孔设计最为合理。

四、下层修建端部的应力集中及增强设计

〔一〕主体在下层修建端部的应力集中

在下层修建端部,由于断面外形突然中缀,使该主体结构中发生极大的应力集中。

前面已指出,当船体梁发作弯曲变形时,在主体与下层修建的衔接线上发生了水平剪q（x）,其散布如以下图所示。

依据弹性力学的解[15]，假定一单位力T作用在半有限板的直线边缘上〔见以下图〕，那么距作用点x处的正应力为：

〔7〕

又假定一单位力T作用在板的外表上，沿力的作用线垂直方向横剖面上发生的正应力为：

〔8〕

式中x——所讨论的剖面分开力作用点的距离；

t——板厚；

——泊松比〔

=0.3〕。

融会贯串是一种传统的教学方式,在我国有悠久的历史。

但随着素质教育的展开,融会贯串被作为一种僵化的、阻碍先生才干开展的教学方式,渐渐为人们所摒弃;

而另一方面,教员们又为提高先生的语文素养煞费苦心。

其实,只需运用妥当,〝融会贯串〞与提高先生素质并不矛盾。

相反,它恰是提高先生语文水平的重要前提和基础。

假定在下层修建与主体衔接线上以一系列集中力T〔=qc〕替代散布剪力q，对每一个集中力T可求得在主体板边横剖面上发生的正应力为：

〝师〞之概念，大体是从先秦时期的〝师长、徒弟、先生〞而来。

其中〝徒弟〞更早那么意指春秋时国君的教员。

«

说文解字»

中有注曰：

〝师教人以道者之称也〞。

〝师〞之含义，如今泛指从事教育任务或是教授知识技术也或是某方面有专长值得学习者。

〝教员〞的原意并非由〝老〞而描画〝师〞。

〝老〞在旧语义中也是一种尊称，隐喻年长且学问渊博者。

〝老〞〝师〞连用最后见于«

史记»

，有〝荀卿最为教员〞之说法。

渐渐〝教员〞之说也不再有年龄的限制，老少皆可适用。

只是司马迁笔下的〝教员〞当然不是昔日意义上的〝教员〞，其只是〝老〞和〝师〞的复合构词，所表达的含义多指对知识渊博者的一种尊称，虽能从其身上学以〝道〞，但其不一定是知识的传达者。

明天看来，〝教员〞的必要条件不光是拥有知识，更重于传达知识。

这个任务可让先生分组担任搜集整理,登在小黑板上,每周一换。

要求先生抽空抄录并且阅读成诵。

其目的在于扩展先生的知识面,引导先生关注社会,热爱生活,所以内容要尽量普遍一些,可以分为人生、价值、理想、学习、生长、责任、友谊、爱心、探求、环保等多方面。

如此下去,除假期外,一年便可以积聚40多那么资料。

假设先生的脑海里有了众多的鲜活生动的资料,写起文章来还用乱翻参考书吗?

〔9〕

其中t2、t3、t4如右图所示。

当t3=t4=0时，

，这个值近于式〔7〕的系数，在实践结构中这相当于船楼侧壁与主体舷侧外板衔接的状况；

当t2=0t3=t4=t时，

，它与式〔8〕的系数相近，在实践结构中这相当于甲板室侧壁与主体甲板相衔接的状况。

但是，无论哪种状况，实际上在接近集中力T作用点处，主体板边的的正应力

均有限增大，且当过了力的作用点之后，应力改动符号。

一系列集中力T假定均以侧壁端点为坐标原点，那么它们在端点之外总是惹起同号的正应力，一切相反符号应力迭加的结果，便构成端点处的极大应力集中。

在下层修建端部，主体结构中的应力集中系数，可以近似地由下计算：

〔10〕

式中h——下层修建高度；

r——端部的圆弧半径。

〔二〕端部减轻缓应力集中的措施与增强设计

在下层修建端部由于应力集中而形成的损坏是经常发作的。

因此，在结构设计中必需采取多种措施来减缓该处的应力集中水平。

1、船楼端部减缓应力集中的措施

〔1〕设置端部弧形过渡板

由式〔10〕可知，船楼端部与主体成直角相交时，无论采取什么措施，实际上该处的应力集中总是无量大。

因此，应在船楼端部设置弧形板〔圆形或椭圆形〕，使端部舷侧板逐渐过渡到主体舷顶列板，并用增强肘板支持。

由于弧形板的刚性由大逐突变小，沿这局部衔接线上的水平剪力也逐渐由大变小，于是在弧形板端点主体结构中的应力就不再有限增大。

增大过渡板圆弧半径可以有效地降低应力集中系数。

规范都对过渡板的结构作了详细规则。

例如，关于过渡板的延伸长度，«

规则不小于1.5倍船楼高度〔假定端壁位于船中部0.5L区域以外，延伸长度可适当减小〕，«

那么规则为船楼高度；

此外，还对过渡板的板厚、增强肘板及板上缘面板的要求作了详细规则，这里不再详细引述。

〔2〕局部添加主体结构板厚

由式〔10〕可知，添加船楼端部区域的舷顶列板及甲板边板的厚度亦可降低过高的局部应力，因此规范对增厚的大小及范围都作了详细规则。

例如，«

对端壁位于船中部0.5L区域的船楼，要求从端壁向内至少两个肋距至过渡弧形板终点之外两个肋距之间的主体舷顶列板和甲板边板区分添加20%〔见右图〕。

2、甲板室端部减缓应力集中的措施

为增加甲板室端部角隅处的应力集中，通常其侧壁与端壁的衔接应做圆角，构成带圆角的围壁。

同时，设法降低围壁与甲板衔接处的抗剪刚性系数〔特别是降低接缝的抗剪刚性系数〕，使衔接处的剪应力增加。

这可在角隅处局部〔通常沿船长及船宽方向的长度不小于甲板室高度〕采用铆钉与甲板相连。

过去都用角钢以双列铆针将围壁与甲板相连，如以下图〔a〕所示；

现多用简化的衔接方式，如以下图〔b〕为用衔接扁钢的一种衔接型式。

在

我国实船建造中，还采用了以下图所示的衔接型式。

普通来说，围壁下加复板的方式较好；

此时复板不能太薄，也不能太厚，可建议取围壁与甲板板厚之和的一半；

同时，复板不能用塞焊，否那么就失掉它应有的作用了。

另外，在船中部0.5L区域内的甲板室端部应尽量增加侧壁启齿的数量和尺寸。

一切门窗启齿需设计成圆角，在门或相似启齿的上下面应有足够的延续围壁板。

3、其它增强措施

近年来，由于主机功率的增大，下层修建因振动而发作的损坏状况大大添加。

这能够是由于船体总振动而诱发的下层修建的共振，如下两图所示；

也能够是由于下层修建的固有频率与激振力耦合而发生的振动。

因此，在设计阶段以足够的精度计算出下层修建振动照应峰值频率是很重要的。

在决议机舱及下层修建结构的布置与尺寸时，要保证船上的振动量级是可以接受的。

为了增大结构的刚性，传递竖向力，通常应按下述要求停止增强设计：

〔1〕在船楼或甲板室端部的下面均应设置支柱、隔壁、舱壁或其他强力构件，以支持下层修建，接受竖向力。

〔2〕船楼内强肋骨或局部舱壁应尽能够设置在与其下面的水密舱壁或其它强力构件在同一垂直平面内

〔3〕在最下层长甲板室端壁和侧壁上，普通应设置间距为9m的局部舱壁或垂直桁材，并尽能够与其下面舱室的增强构件在同一平面内。