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什么是船舶强度?4种船舶强度的概念
船舶讲武堂
>《待分类》
2021.01.14
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船舶结构抵抗船体发生极限变形和损坏的能力称为船舶强度(Strength of ships)。船舶强度分为总强度(包括纵向强度,横向强度,扭转强度)和局部强度。从船舶积载角度来说, 主要考虑船舶的纵向强度和局部强度问题。船舶强度是否满足要求,取决于船体结构尺度的正确选择和船上载荷分布的合理性。对于已投入营运的船舶,只能通过合理的载荷分布来改善船舶的受力情况。因此,正确地使用船舶,合理地分布载荷,保证船舶积载满足船舶的强度要求,对保证船舶安全运输和延长船舶的使用寿命都具有重要的现实意义。
一、纵向强度
船体结构抵抗总纵弯曲或破坏的能力称为船体纵向强度(Longitudinalstrength),纵向强度主要研究船体在外力作用下抵抗纵向弯曲、剪切和扭转的能力。当船舶正浮时,船舶总 的重力与总浮力大小相等,方向相反,作用在同一条垂直线上,即重力与浮力相平衡。如图 5-1所示。
但实际上船体纵向各段上的重力与浮力是不一定相平衡的,这是由于船舶的重力沿船长 分布的情况与浮力沿船长分布的情况不一致所造成。船舶装载情况如图 5-2a 所示。若船体的各段之间可以自由上下移动,取得新的平衡,就会产生如图 5-2b 的状态,但事实上船体是一个整体,各段之间有结构上的联系,结果便造成如图5-2c 所示的变形。
船体上每一段的重量与浮力的差值就是实际作用在船体上的负荷,船体正是由于负荷的作用而产生了剪力(Shearing force)和弯矩(Bending moment),如图5-3所示,剪力最大值在距船首和船尾约 1/4 船长附近;而最大的弯矩值则约在船中处。
由于弯矩作用使船舶产生两种变形:
1.中拱(Hogging):船体受正弯矩作用,中部上拱,这时船中部浮力大于重力,首、尾部浮力小于重力,船舶上甲板受拉伸,船底受挤压。如图 5-4a
2.中垂(Sagging):船体受负弯矩作用,中部下垂,这时船中部重力大于浮力,首、尾部重力小于浮力,船舶上甲板受挤压,船底受拉伸。如图 5-4b
船舶由于积载引起的弯矩,可称为静水弯矩。船舶在静水中,尽管装载比较均衡也可能 产生中拱或中垂的变形,但其数值较小,为一般船舶强度所允许。但若船舶首、尾舱柜载重 较多而中部舱柜载重较少,则会产生较大的中拱变形;反之,会产生较大的中垂变形。如图 5-4 所示。对一般船舶来说,这种情况是不允许的。因为这种装载对船体结构有影响,轻者会使某些结构部位受到过大应力而降低船舶使用寿命,重者会发生船体变形以致断裂的严重 后果。
上述情况是船舶在静水中发生的。当船舶处在波浪中时,如波长接近于船长,对船体最为不利。特别是船中位于波峰或波谷时,且船舶各货舱中装载不均匀时,在波浪中航行的船舶中拱或中垂将加剧,弯曲变形现象将更为严重,甚至威胁船舶安全。在船舶积载工作中, 应防止较大的中拱或中垂的产生。
二、横向强度
船体结构抵抗横向变形或破坏的能力称为船体横向强度(Transverse Strength)。船体在外力的作用下,除了发生总纵弯曲外,还有船宽方向的变形,这是由于水对船壳的压力以及 在甲板、船底的内底板上装货的结果。
一般船舶都具有坚固的横向框架来支持船壳板、甲板等,一般船舶的横向构件尺寸与纵 向构件相比要大得多,因而横向强度一般是足够的,船舶很少因为横向强度不足而发生横向 结构断裂的情况。但是,如集装箱船由于舱口宽大,无中间甲板,上甲板边板又很狭窄,给 横向强度、扭转强度也带来了问题,为此集装箱船均设置强固的横向框架结构甚至采用双层 船壳等来保证船舶的横向强度。
三、扭转强度
船体结构抵抗扭转变形或破坏的能力称为船体扭转强度(Torsion Strength)。对于普通船体,一般都具有充分的抵御扭转变形或破坏的能力,故对其可不予考虑,但对甲板大开口 的船(如集装箱船、固体散货船),则应在配载时予以足够的重视。如果在装货时,由于某 舱配载不好,使船向一侧横倾,若简单地在其他货舱内向另一侧增加重量,企图以此来校正 船舶横倾,这样便会使船舶产生扭转变形。所以,在装货时要注意保持沿船长方向在中纵剖 面左、右的重量的对称性。产生船舶扭转变形的主要原因
有以下三个方面:
1)由波浪引起的;
2)由于船舶横摇所引起的;
3)船舶装卸货物时引起的。
作用于船体的扭转力矩中,波浪引起的扭转力矩最大,最大扭转力矩一般发生在船中附近。
四、局部强度
船体各部分结构抵抗局部变形或破坏的能力称为船体局部强度(Local Strength)。局部强度是研究船体在载荷重力作用下,局部构件抵抗弯曲和剪切的能力。局部强度虽然是局部 性的,但是有时局部的破坏也会导致全船的破坏,如因大舱口角隅处的裂缝而导致整个船体 断裂的事故时有发生。因此,船舶驾驶员在配积载时应认真校核船舶的局部强度,计算上甲板、中间甲板、底舱的局部强度是否符合要求,防止甲板或内底板变形或坍塌等。
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