船舶结构.docx

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船舶结构

船舶结构

一、船体结构及其功用

船舶从建造到下水，航行直至最后报废的整个过程中，均要受到许多不同外力的作用。

研究船体结构的目的，就是要使船体在这些外力的作用下：

1）保证船体不被破坏而具有足够的强度；

2）保证其不至于有过度变形而影响其使用，具有足够的刚性，从而设计出充分合理使用材料，重量尺寸最小，建造成本低和营运经济性好及安全可靠的船体。

船舶结构是由板材和骨材组成的船体的总称。

包括主船体和上层建筑结构两部分。

前者习惯上指主甲板以下的部分，由船底、舷侧、甲板、船端、舱壁等结构组成；后者为主甲板以上部分。

船体结构的作用是使船具有一定的外形、漂浮能力和强度，并构成可分隔成各种舱室的水密内部空间。

组成结构的基本元件称构件。

船体构件沿船长延伸的称为纵向构件；沿船宽延伸的称为横向构件。

二、在《钢规》中的一些定义

a）船长L（m）：

沿夏季载重线，由首柱前缘量至舵柱后缘的长度；对无舵柱的船舶，由首柱前缘量至舵杆中心线的长度；但均不得小于夏季载重线总长的96，且不必大于97%。

对于箱形船体，L为沿夏季载重线自船首端壁前缘量至船尾端壁后缘的长度。

b）船宽B（m）：

在船舶的最宽处，由一舷的肋骨外缘量至另一舷的肋骨外缘之间的水平距离。

备注：

型宽不包括船体外板的厚度。

c）型深D（m）：

在船长中点处，沿船舷由平板龙骨上缘量至上层连续甲板横梁上缘的垂直距离；对甲板转角为圆弧形的船舶则由平板龙骨上缘量至横梁上缘延伸线与肋骨外缘延伸线的交点。

d）吃水d（m）：

在船长中点处，由平板龙骨上缘量至夏季载重线的垂直距离。

e）方形系数Cb：

方形系数Cb由下式确定：

Cb=▽/LBd

式中：

▽---相应于夏季载重线吃水时的型排水体积，m3

LBd---见上述定义。

备注：

Cb的大小表示船体水下体积的肥瘦程度。

f）上层连续甲板：

船体的最高一层全通甲板。

g）强力甲板

1．上层连续甲板

2．在船中部0.5L区域内长度不小于0.15L的上层建筑甲板，和此上层建筑区域以外的上层连续甲板。

h）下甲板：

上层连续甲板以下第1层连续甲板为第2甲板依次向下为第3甲板...总称为下甲板。

i）舱壁甲板：

各水密横舱壁上伸到达的连续甲板。

j）干舷甲板：

按1966年国际载重线公约量计干舷高度的甲板。

k）平台甲板：

强力甲板以下不计入船体总纵强度的不连续甲板。

l）上层建筑及甲板室：

上层连续甲板上，由一舷伸至另一舷的或其侧壁板离船壳板向内不大于4%船宽B的围蔽建筑为上层建筑，即首楼、桥楼、尾楼。

其他的围蔽建筑为甲板室。

m）长上层建筑及短上层建筑：

长度大于0.15L，且不小于其高度6倍的上层建筑为长上层建筑。

不符合长上层建筑条件的为短上层建筑。

n）长甲板室及短甲板室：

长度大于0.15L，且不小于其高度6倍的甲板室为长甲板室。

不符合长甲板室条件的为短甲板室。

o）装载率Υ（m3/t）：

货舱容积对货舱内货物质量的比值。

p）首尾垂线：

首垂线为通过首柱前缘与夏季载重线交点的垂线。

尾垂线为通过舵柱后缘与夏季载重线交点的垂线，对无舵柱船舶为舵杆中心线。

q）主要构件：

船体的主要支撑构件称为主要构件，如强肋骨、舷侧纵桁、强横梁、甲板纵桁、实肋板、船底桁材、舱壁桁材等。

r）次要构件：

一般是指板的扶强构件，如肋骨、纵骨、横梁、舱壁扶强材、组合肋板的骨材等。

三、作用在船体上的力

1）总纵强度

船舶在外力的作用下产生纵总弯曲。

船体结构抵抗纵向弯曲不使整个结构遭受破坏或严重变形的能力称为纵总强度。

在研究船体的总纵强度时，将船体看作是变断面的空心梁（即船梁）。

它抵抗总纵弯曲的能力是由船梁的剖面模数决定。

船梁内产生的弯曲正应力：

σ=M/W=MZ/I

式中：

σ---总纵弯曲应力；

M---总纵弯曲力矩；

W---剖面模数，它是船体结构抵抗弯曲变形能力的一种几何特性；

I---船梁横剖面对中和轴的主惯性矩；

Z---纵向连续构件离中和轴的距离。

通常最大总纵弯曲正应力出现在船中约占1/4船长区域内的上甲板和船底部，见下图，所以上甲板和船底板总是较厚。

船舶的总纵强度是船舶结构强度的一个很重要的标准条件。

将船舶静置在波浪上，求出总纵弯曲力矩以及相应的总纵弯曲应力，并将它与许用应力进行比较以判断船体强度，这是目前船体总纵强度计算中的常规办法，实际上是一种比较强度，并不是船体的真正强度。

所谓将船静置在波浪上，就是假想船舶以波速在波浪前进方向上航行，此时船与波的相对速度为零。

这样就可以认为船体是在重力和浮力作用下静平衡于波浪上的一根梁。

由于重力和浮力沿船长的分布规律不一致，故两者在每单位船长上的差额就构成作用在船体梁上的分布载荷。

船体梁在这个载荷作用下将发生总纵弯曲变形，并在船体梁断面上产生剪力和弯矩。

作用在船体断面上的弯矩通常下列形式

M=MS+MW

式中：

M----船舶静置在波浪上的总纵弯矩；

MS----船舶在静水中的弯矩，在既定的船型时，只与重量及其沿船长的分布有关；

MW----船舶静置在波浪上的波浪附加弯矩，其值的大小与波形范围内的船体外形和波浪的要素有关。

显然，总纵弯矩的大小与波浪要素和装载状态密切相关。

由于选取的波浪要素和装载状态的不同，弯矩值可能在很大的幅度内变化。

因此，必须假定一个标准的波浪要素和装载状态，这样才能有一个统一的比较基础。

标准波浪的波形取坦谷波，计算波长等于船长，波高则随船长而变化。

计算总纵弯矩时按两种极端情况进行，一为波峰在中，波谷在首尾，此时船中部浮力最大，首尾浮力较小，船舶处于中拱状态；另一情况为波谷在中，波峰在首尾，船中浮力较小，两端浮力较大，船舶处于中垂状态，如下图所示：

装载状态对于静水弯矩的影响是主要的。

作为计算状态，原则应该选取最不利的装载情况，同时也要照顾到实际上是可能的，一般应考虑下述的装载情况：

满载：

出港、到港；

压载：

出港、到港。

从上述不难看出，当船舶定型后，船舶的总纵弯矩（M）仅随着静水弯矩（MS）的变化而变化，而最大波浪弯矩（MW）是不变的，可以根据《钢规》提供的经验公式进行计算，因此验船师掌握静水弯矩的计算原理是必要的，以下就简单介绍静水弯矩的计算原理：

船舶在静水中处于平衡位置时,必须满足下述两个条件:

作用在船体上的浮力等于船的重量,重心和浮心在同一船垂线上。

取坐标原点在尾垂线处，X轴沿船长方向，竖轴向上，并假定船的单位长度的重量为P（x），浮力为V（x），事实上，在不同横剖面处，重力和浮力并不相等，由于重力和浮力沿船长方向分布不一致，故作用在每一段上的重力和浮力并不相等。

设想将船体沿长度方向分割成若干端，并假定段与段之间可以自由移动。

则每段在力q（x）=p（x）-v（x）作用下，段与段之间要产生上下移动（见下图）。

当然，船体是一个整体结构不可能发生上图所示的那种移动，因此在船体结构内就会有内力发生，使船体产生弯曲。

根据材料力学可知：

作用在船体梁上的载荷强度q（x）为：

p（x）和v（x）的差值，也即是：

q（x）=p（x）-v（x）

作用在船体梁断面上的剪力和弯矩为：

由此可见，为了计算剪力和弯矩，必须先作出重量分布曲线P（x）和浮力分布曲线V（x），然后求得载荷曲线q（x），再进行积分计算。

不难看出，重量分布曲线和浮力分布曲线随着船上装载货物、旅客，燃料、水的消耗、船舶吃水的变化而在变化，这也就是钢规要求新建造船舶（大于等于65米）在总纵强度计算书中，必须计算出船舶许用静水弯矩的原因。

换句话说，船舶在任何时候的静水弯矩都不能超过其许用静水弯矩。

接下来给大家简单介绍钢规对总纵强度校核的步骤：

1.选定计算工况，工况的选取不能少于规范要求的四种工况，也就是满载到港、出港和压载到港、出港。

2.做出各计算工况的重量分布曲线和浮力曲线，然后算出各工况的最大静水弯矩Ms（max）和最大静水切力N（max）及其所在位置。

3.根据规范提供的经验公式算出中拱和中垂两种状态的波浪弯矩Mw（+）、Mw（-），然后将各工况的最大静水弯矩和波浪弯矩进行合成，最终得出船舶在各工况所承受的最大弯矩Mmax。

4.根据规范提供的公式算出规范要求的船中最小剖面模数Wo和惯性矩I。

5.计算船舶实际的船中剖面模数和惯性矩，其不能小于规范要求的船中最小剖面模数和惯性矩。

6.计算船舶在各工况所承受的最大总纵弯曲应力，不能大于规范规定的许用弯曲应力[σ]=175N/mm2。

7.根据规范提供的公式，计算许用静水弯矩，其不能小于各工况的最大静水弯矩。

8.根据规范提供的经验公式计，计算出中拱和中垂两种状态的波浪切力Nw（+）、Nw（-），然后合成出在各工况的最大静水切力处和最大波浪切力处的合成切力。

最终确定各工况下的最大合成切力及其位置。

9.根据规范提供的经验公式计算出船舶所承受的最大剪切应力τmax，其不能大于规范规定的许用剪切应力[τ]=110N/mm2。

10.根据规范提供的经验公式计算出许用静水切力，其不能小于最大合成切力。

11.对船长大于等于90m的船舶，受船体梁弯曲和剪切应力的板格及纵向构件，应按规范规定作屈曲强度校核。

由于屈曲强度的计算涉及到较深结构力学的理论知识，因此在此不再做叙述。

2）横向强度和局部强度

船舶在水中除了产生总纵弯曲外，也会产生横向弯曲。

横向强度是指横向构件（如肋骨框架和横舱壁）抵抗横向载荷不使其破坏和变形的能力。

船体的局部强度是指个别构件对局部载荷的抵抗能力。

有时船体的总强度能得到保证，但局部强度不一定能保证。

如船舱破损进水时舱内的某些局部构件在水压力作用下可能发生破坏或严重变形。

在讨论强度问题时，还须保证船体骨架和板的刚性。

所谓刚性就是指变形的大小。

我们说船体结构的坚固性就是指既要有足够的强度又要有足够的刚性。

有时船的结构并未破坏，但其变形过大或丧失稳定性同样是不允许的。

两端受压的细长杆和受平面压缩力的薄板都非常容易丧失稳定性，失稳的构件是不能受力的。

所以船上有的构件的尺寸并不是根据受力会不会断裂来决定的，而是根据刚性要求来确定的。

我们钢规中对船舶构件的最小尺寸要求，就是为了确保构件有足够的局部强度，对新建造船舶，设计单位必须提供《船体规范计算书》。

四、船体结构的形式

a）船体结构的骨架型式

船体的骨架形式通常分为纵骨架式、横骨架式和纵横混合骨架式三种：

Ø纵骨架式：

骨架主要沿纵向布置，只设数量较少而间距较大的横向骨架，将板材分隔成长边沿纵向的矩形板格。

Ø横骨架式：

骨架主要沿横向布置，数量多且间距密，沿纵向只设少量且间距较大的桁材把被支承的板材分隔成许多长边沿横向的矩形板格。

Ø混合骨架式：

在纵横两个方向上布置的骨架其数量、尺寸和间距相差不多，被分隔成的板格接近正方形。

这种骨架形式在船体结构中很少采用。

纵骨架式和横骨架式的结构各有优缺点。

纵骨架式结构的优点是：

多数纵骨纵向布置，参加船的总纵弯曲，故提高了船体的总纵强度；同时由于纵骨布置较密，因此也提高了板的稳定性。

这样相应地可减少板的厚度，减轻结构的重量。

缺点是施工比较麻烦。

横骨架式的优点是：

多数骨架横向布置，横向强度较好；结构简单，建造方便。

缺点是在同样受力情况下，板的厚度要比纵骨架式的大，结构重量较大。

根据强度和使用要求，通常横加式多用于内河船、小船；纵骨架式多用于海船、油船和军舰。

但也不完全如此，即使在同一条船上其骨架也不尽相同。

如有的货船的上甲板和船底采用纵骨架式，舷侧和下层甲板采用横骨架式，首尾端全部采用横骨架式。

根据船体上正应力的分布特点，这样的选择是合理的。

b）典型横剖面结构

船体结构是非常复杂的，沿船长不同部位的结构往往是不一样的。

因此对每艘船都必须设计和绘制若干个典型的横剖面图，如货舱横剖面图、机舱剖面结构图等等。

从典型横剖面结构图上可清晰地看出船体结构的骨架型式，各种构件的型号、尺寸、位置等。

这是一张非常重要的图纸。

下面介绍的是四种船舶的典型剖面结构。

✧杂货船的横剖面结构

下面为典型普通杂货船的货舱立体结构和横剖面图，从图中可以看出，上甲板和双层底是纵骨架式结构，下甲板和舷侧是横骨架式。

上甲板和下甲板上开有货舱口,舱口角隅有支柱支撑。

近来一些船上为了理货方便改在中线面设置支柱或半纵舱壁或悬臂梁结构。

普通杂货船的货舱立体结构

单甲板的杂货船

两层甲板的杂货船

普通杂货船的典型横剖面图

（包括纵向和横向构件）

✧散货船横剖面结构

散货船是专运散装货物的船舶，根据散货船的特点，散货船只有一层全通甲板，甲板下面左右各有一个三角形的顶边舱，是用来防止船在摇摆过程中散货向一侧移动使船倾斜，而降低船的稳性。

在双层底舭部处设有三角形的底边舱，斜边在上，其作用是使散货的堆放能集中于货舱中央，便于抓斗装卸，另外顶边舱和底边舱通常作为压载水舱之用。

下面为散货船典型横剖面图。

散货船的典型横剖面图

（包括纵向和横向构件）

ReportonTM2

ReportonTM3-BC

1.Strengthdeckplating

2.Stringerplate

3.Sheerstrake

4.Sideshellplating

5.Bilgeplating

6.Bottomshellplating

7.Keelplate

8.Decklongitudinals

9.Deckgirders

10.Shellstrakelongitudinals

11.Topsidetankslopingplating

12.Topsidetankslopingplatinglongitudinals

13.Bottomlongitudinals

14.Bottomgirders

15.BildgeLongitudinals

16.Sideshelllongitudinals

17.Innerbottomplating

18.Innerbottomlongitudinals

19.Hoppersideplating

20.Hoppersidelongitudinals

21.

22.

ReportonTM4

ReportonTM6-BC

ReportonTM7-BC

23.Doublebottomtankfloors

24.Topsidetanktransverses

25.Hoppersidetanktransverses

26.

27.

28.Hatchcoamings

29.Deckplatingbetweenhatches

30.Hatchcovers

31.Innerbulkheadplating

32.

33

34.Holdframesordiaphragms

✧油船横剖面

油船多为纵骨架式单甲板船。

中小型油船舷侧可用横骨架式结构。

为了减少自由液面对稳性的影响和增加船舶总纵强度，大多数油船货舱中设纵舱壁，沿海小型油船设一道，分左右两个货油舱，大型油船设2-3道，分成3-4个货油舱。

甲板和船底的中线面还装有高大的纵桁。

船的横向有环形的强框架，这些强构件可以增加船体的强度，减少液体在舱内的晃动和缓和液体在舱内的冲击，但不影响液体货物的装卸。

下面为单壳和双壳油船的典型横剖面图。

单壳油船的典型横剖面图

（包括纵向和横向构件）

ReportonTM2-T

（1）&

（2）

ReportonTM3-T

ReportonTM4-T

1.Strengthdeckplating

2.Stringerplate

3.Sheerstrake

4.Sideshellplating

5.Bilgeplating

6.Bottomshellplating

7.Keelplate

8.Deckolongitudinals

9.Deckgirders

10.Sheerstrakelongitudinals

11.Longitudinalbulkheadtopstrake

12.Bottomlongitudinals

13.Bottomgirders

14.Bilgelongitudinals

15.Longitudinalbulkheadlowerstrake

16.Sideshelllongitudinals

17.Longitudinalbulkheadplating（remainder）

18.Longitudinalbulkheadlongitudinals

19.Innerbottomplating

20.Innerbottomlongitudinals

21.

22.

23.

24.

25.Decktransversecentretank

26.Bottomtransversecentretank

27.Decktransversewingtank

28.Sideshellverticalweb

29.Longitudinalbulkheadverticalweb

30.Bottomtransversewingtank

31.Struts（Crosstie）

32.Transversewebfaceplate

33.D.B.Floors

34.

35.

ReportonTM2-T

（1）&

（2）

36.Hatchcoamings

37.Deckplatingbetweenhatches

38.Hatchcovers

39.

40.

150000吨以下双壳油船的典型横剖面

（包括纵向和横向构件）

ReportonTM2-DHT（i）&（ii）

0.Strengthdeckplating

1.Stringerplate

2.Sheerstrake

3.Sideshellplating

4.Bilgeplating

5.Bottomshellplating

6.Keelplate

10.Decklongitudinals

11.Sheerstrakelongitudinals

12.Sideshelllongitudinals

13.Bilgelongitudinals

14.Bottomlongitudinals

15.Deckgirders

16.Horizontalgirdersin

wingballasttanks

17.Bottomgirders

18.Longitudinalbulkhead

topstrake

19.Longitudinalbulkhead

bottomstrake

20.Longitudinalbulkhead

plating（remainder）

21.Longitudinalbulkhead

longitudinals

22.Innersideplating

23.Innersidelongitudinals

24.Hopperplating

25.Hopperlongitudinals

26.Innerbottomplating

27.Innerbottom

longitudinals

28.Topsidetankplating

29.Topsidetank

longitudinals

30.Decktransverse—centretank

31.Decktransverse—wingtank

32.Verticalwebinwingballasttank

33.Doublebottomfloor—wingtank

34.Doublebottomfloor—centretank

35.Longitudinalbulkheadverticalweb

36.Crossties

150000吨以上双壳油船的典型横剖面图

（包括纵向和横向构件）

ReportonTM2-DHT（i）&（ii）

0.Strengthdeckplating

1.Stringerplate

2.Sheerstrake

3.Sideshellplating

4.Bilgeplating

5.Bottomshellplating

6.Keelplate

10.Decklongitudinals

11.Sheerstrakelongitudinals

12.Sideshelllongitudinals

13.Bilgelongitudinals

14.Bottomlongitudinals

15.Deckgirders

16.Horizontalgirdersin

wingballasttanks

17.Bottomgirders

18.Longitudinalbulkhead

topstrake

19.Longitudinalbulkhead

bottomstrake

20.Longitudinalbulkhead

plating（remainder）

21.Longitudinalbulkhead

longitudinals

22.Innersideplating

23.Innersidelongitudinals

24.Hopperplating

25.Hopperlongitudinals

26.Innerbottomplating

27.Innerbottom

longitudinals

28.Topsidetankplating

29.Topsidetank

longitudinals

30.Decktransverse—centretank

31.Decktransverse—wingtank

32.Verticalwebinwingballasttank

33.Doublebottomfloor—wingtank

34.Doublebottomfloor—centretank

35.Longitudinalbulkheadverticalweb

36.Crossties

✧集装箱船横剖面结构

集装箱船的结构与一般的货船不同，它的货舱口宽度几乎与货舱宽度一样大，舷边只留下一条宽度不大的甲板边板。

这样大的开口对船体的抗弯、扭曲和横向强度都很不利。

为了补偿强度的不足，在结构上常采用以下加强措施：

1）采用具有水密舷边舱的双层舷侧；

2）增加甲板边板和舷顶列板的厚度；

3）加强两个货舱口之间的舱口端横梁和甲板横梁等。

随着科学技术的发展，近年出现大量大型集装箱船，其装箱量通常在5000TEU以上。

大型集