船体扭转强度

更新时间:2022-09-16 23:08

船体抵抗扭曲变形或破坏的能力称扭曲强度或扭转强度(torsional strength)。船体产生扭转变形的主要原因是船舶作斜浪航行,首部和尾部受到的波浪作用力方向相反。或者是首部与尾部装卸货物不对称,横倾时复原力矩与横倾力矩沿长各段不相等、摇摇时船体受到不平衡的惯性力等。

简介

扭转强度是指整个船体抵抗扭转变形和破坏的能力。当船舶斜置在波浪上时,或船的首尾部的装载对于船中心线左右不对称时,以及其他原因产生的首尾、左右不对称的作用力,都会产生作用在船体上的扭转力矩,使船体发生扭曲变形。但是,一般船舶由于舱口较小,均有足够的抗扭转强度,都不进行扭转强度计算。对于集装箱船等,因甲板上货舱口较大,需要考虑船体结构的扭转强度问题。

船体扭转强度检验

中国船级社“钢质海船入级和建造规范” ,凡符合下述两个条件的任何甲板开口为大开口: (1) b/B1> 0.6 (b为开口宽度;B1为开口宽度中点处包括开口在内的甲板最大宽度);(2) ( 为舱口长度; 为舱口两端横向甲板条中心线之间的距离)。凡属于上述规定的船舶,船体纵向强度校核时须包括纵向弯曲强度和扭转强度两个方面。以下介绍航运生产实际的船体扭转强度检验的简易方法。

船体梁扭转变形的力学方程式

在分析船体扭转时,须将船体看作为薄壁梁,这时船体的甲板和外板看作为中空梁的壁。根据薄壁梁扭转的理论,扭转变形包含两种成分:一种称为自由扭转,另一种称为约束扭转。自由扭转是船体梁的各个剖面分别绕其各自的转动中心平行转动,由于沿着船体长度方向各个剖面转过的角度不相等,引起整个梁的扭转变形。自由扭转引起船体梁的两端向相反方向转动,剖面相对转角向船中逐渐减小。约束扭转是将船体梁的端部固定,梁的各个剖面在转动时由于受到来自端部的限制,各个剖面之间不但有相对的转动,而且发生相对位置的改变,这时船体发生歪斜形变。在约束扭转形变中,离开约束端越远,船体发生的形变越大。约束扭转也称为翘曲。薄壁梁的自由扭转会在其剖面内产生剪切应力 ,而翘曲不但产生剪切应力 ,而且还会产生翘曲正应力 。在船体梁扭转中,扭转剪切应力一般较小。

取船长的中点为x坐标轴的原点,x轴的正向指向船首,在外界扭转力矩作用下,船体梁扭转变形的力学方程可表示为:

式中,G为材料的剪切弹性模量,一般可取G=8×106kN/m2;E为材料的拉压弹性模量,一般可取E=2×107kN/m2;J为剖面自由扭转惯性矩;Jw为剖面的扇形惯性矩;h为剖面相对转动的角度;dh/dx为单位长度扭转角,称为扭率;MTS为作用在薄壁船体梁上的扭转外力矩的总和(波浪扭矩,因重量产生的扭矩等)。扭转力学方程式中的第一项表示自由扭转扭矩,第二项表示使船体梁发生翘曲的扭矩,这两个扭矩之和应与外界的扭转力矩平衡。

剖面扭转应力计算

根据实际情况对长大的货舱开口作以下简化,首先,将各个货舱口合并为一个舱口区域,其长度为 ,因舱口区域两端的船体横舱壁要比货舱口间的横舱壁在结构的刚度和强度上都强很多,所以这样简化是合理的;其次,为了便于计算,假定舱口区域长度以船中对称。

波浪扭矩

在舱口区域长度范围之内,波浪扭矩的分布可假定为余弦曲线分布,表示为:

为船中剖面处的最大波浪扭矩,其大小按以下公式计算:

式中,e=2.7183;L为船长;B为船宽;D为型深; ,其中Cw为水线面系数;X为扭转中心在船底以下的距离。

剖面惯性矩计算

(1)剖面自由扭转惯性矩J的近似计算公式为

式中,B为船体包括两舷侧板厚的实际宽度;D为包括甲板板厚和船底板板厚的实际型深;C为甲板边板的宽度;tb为船底板的板厚;ts为船侧板的板厚;td为甲板的板厚。

(2)剖面的扇形惯性矩Jw的近似计算式

式中,

(3)剖面扭心离船底基线的距离X,按下式计算

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