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总纵强度

总纵强度即船体总纵强度,是船舶工程中的常用术语,指船体结构抵抗纵向弯曲不使整体结构遭受破坏货不允许的变形的的能力,总纵强度对应的外力是总纵弯曲力,是作用在整个船体上的重力、浮力、波浪水动力和惯性力等,使船体产生总纵弯曲。

船体的重力沿船舶长度方向是不均匀的,同时船舶首尾形状尖瘦,中部肥大,各部排开水的体积也不同,所产生的浮力也不同,这样,船舶沿着船长方向的重力和浮力在船长方向分布不均匀,所以产生了总纵弯曲力。

船体产生总纵弯曲有两种情况:一种是在船舶船体中段发生上拱,而首尾部下垂,称为“中拱弯曲”; 另一种是船体中段下垂,首尾部上翘称为“中垂弯曲”。前一状态造成甲板纵向构件受拉,船底纵向构件受压;后一状态则相反。

在总纵弯曲时,船体中受压的构件, 常因过度受压而产生屈曲,大大降低船体 抵抗总纵弯曲的能力。分析船体中受压构 件是否屈曲及其屈曲后能抵抗外力的剩余 能力,是分析船体总纵强度的重要内容。当船舶在波浪中航行时,受到总纵弯曲力更大,当波峰处在船中时,会加强中拱弯曲;当波谷处在船中时,会加强中垂弯曲.如果波浪的波长等于船长,上述情况会更激烈。这对航行中的船舶是最危险的。研究船体总纵强度就要考虑到这种最危险情况的出现。

参与船体总纵强度的构件:外板、纵向连续骨材、连续的上甲板、纵舱壁、船底结构、舷侧纵骨、中部较长的上层建筑(尤其长桥楼)、中甲板室(船中0.5L区域内,长度大于船长15%及其本身高度6倍,一般甲板室尽量避免参与总纵弯曲)。

在总纵弯曲状态下,船体结构内部所受力的方向和大小都是不同的。在同一横剖面内,中拱时,甲板受到拉力,船底受到压力。而舷侧受到的应力则按直线规律变化。在拉力和压力过渡处为结构中性面位置,应力为零。最大拉力和压力分别发生在最上层连续甲板和船底板内。拉力和压力的分布如图1所示。

无论处于中拱或中垂状态,最大的弯曲都产生在船体中部。所以,船体中部结构受到的拉力或压力远比首尾部分大。

把船体看作是具有变化横断面的空心梁,其抵抗总纵弯曲的能力称为船体的总纵强度。参加抵抗总纵弯曲的船体构件称为纵向强力构件,如外板、内底板、甲板、纵舱壁以及纵桁、纵骨等纵向连续构件。总纵强度对保证船舶航行安全关系极大。总纵强度不足会造成结构的变形和损坏,严重时会使船体折断。

影响静水弯矩的主要因素如下:

(1)船体型线上考虑,FPSO(浮式生产储油卸油装置)不航行或很少航行,因此,有些人认为船体型线不像运输船那么重要而忽视型线设计,往往船艏和艉设计得很肥胖,形状类似方盒子。艏、艉尖舱往往作为压载舱用,当货油舱满载时,艏、艉尖舱为空舱,艏艉段的浮力大于常规运输油轮。

(2)货油舱位于船中,满载时货油重量约占全船重量的3/4~4/5,大部分重量作用在船中。

正是上述两个因素决定了FPSO满载时中垂弯矩远大于常规运输油轮。解决这个问题的有效途径是增大船体中部的压载舱和减小货油舱;减小艏、艉尖舱的浮力,优化船体艏、艉部分的型线,降低中垂弯矩。

影响波浪弯矩的因素较多,主要有:

(1)船体主尺度、尺度比和船型系数有文献称,当方形系数CB从0.6增至0.8时,波浪弯矩约增大40%。常规运输油轮的CB约为0.8,而FPSO的CB大于0.9。

(2)重量沿船长的分布。

(3)波谱形式。由于波谱的不同,能量随着频率的分布就不同。例如JONSWAP谱,大部分能量集中在一狭窄的频带内,它的响应不同于其他波谱是不难理解的。

(4)波向。通常认为迎浪时垂向波浪弯矩最大。

总的来说,波浪弯矩主要取决于船体水线面形状、横剖面形状、重量矩(即艏、艉段的分布重量对中剖面的一次矩)、惯性半径以及波浪参数。

船体结构的受载颇为复杂,某些构件同时产生几种应力。例如,外板除了承受总纵弯曲应力外,作为船体板架一部分,在承受水压作用后产生局部弯曲应力,以及作为骨材的有效带板时,与骨材共同变形而产生局部弯曲应力。所以在校核构件强度时,应考虑构件本身在承受最不利的载荷组合情况,分析构件的应力合成,按某些规定的强度标准判别其是否符合要求。通常所说的“总纵强度校核”是对船体的总纵弯曲应力和船体剖面的剪应力的校核,以及由总纵弯曲应力引起的屈曲强度校核。

校核原理

船舶在总纵强度校核中,通常是将所校核剖面上实际承受的剪力和弯矩值与该剖面所允许承受的最大剪力和弯矩相比较,只要前者不大于后者,则认为该装载状态下的船舶满足营运安全要求,这是校核船舶总纵强度的基本思路。


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