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船舶結(jié)構(gòu)力學(xué) 讀書筆記 船舶結(jié)構(gòu)強度重要性 進入21世紀以來，世界經(jīng)濟的高速發(fā)展給造船業(yè)帶來千載難逢的發(fā)展機遇，造船技術(shù)與設(shè)計手段得到了迅速地更新，各項技術(shù)指標得到了進一步的提高，使新船型不斷涌現(xiàn)。當前，在大力發(fā)展造船業(yè)的同時，要把提高產(chǎn)品質(zhì)量作為一項非常重要的工作。因為船體結(jié)構(gòu)損壞事故時有發(fā)生，據(jù)統(tǒng)計：來自集裝箱船、散貨船、大型油船、RO/RO（滾裝船）以及海洋工程的船舶結(jié)構(gòu)損壞事故，大約分別為23%、31%、23%、15.4%、7.6%。對財產(chǎn)、生命、環(huán)境都將構(gòu)成嚴重的威脅。 船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)的任務(wù)與目的 任務(wù)：船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)是研究船體結(jié)構(gòu)靜力響應(yīng)的一門課程.學(xué)習(xí)船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)就是要掌握在給定的外力作用下如何確定船體結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力與形變，包括研究受壓構(gòu)件的穩(wěn)定性問題.即研究船體結(jié)構(gòu)中板與骨架穩(wěn)定性的科學(xué) 目的：使學(xué)習(xí)者具有對船體結(jié)構(gòu)進行強度及變形分析的能力 船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)研究對象 單跨梁及梁系 平面應(yīng)力板 矩形薄板 結(jié)構(gòu)力學(xué)的研究手段 包含理論分析、實驗研究和數(shù)值計算 結(jié)構(gòu)力學(xué)課程討論理論分析和數(shù)值計算方面的內(nèi)容 在結(jié)構(gòu)分析中，首先把實際結(jié)構(gòu)簡化成計算模型，稱為結(jié)構(gòu)計算簡圖，然后再對計算簡圖進行計算 結(jié)構(gòu)力學(xué)的計算問題分為兩類：一類為靜定性的問題，只需根據(jù)平衡條件，即可求解，另一類為超靜定性的問題，必須滿足三個基本條件，方能求解 三個基本條件 (1)力系的平衡條件或運動條件 在一組力系的作用下，結(jié)構(gòu)的整體及其中任 何一部分都應(yīng)滿足力系的平衡條件 (2)變形的幾何連續(xù)條件 連續(xù)的結(jié)構(gòu)發(fā)生變形后仍是連續(xù)的，材料沒 有重疊或縫隙；同時結(jié)構(gòu)的變形和位移應(yīng)滿 足支座和節(jié)點的約束條件 (3)應(yīng)力與變形間的物理條件 把結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形聯(lián)系起來的物理性條件 即物理方程或本構(gòu)方程 經(jīng)典的結(jié)構(gòu)解析方法 初參數(shù)法 力法 位移法 能量法 矩陣法 一、單跨梁彎曲理論 單跨梁彎曲理論是以“平斷面假定為基礎(chǔ)”的，并由此推出了梁的彎曲微分方程。 方向規(guī)定 梁的撓度：向下為正。 梁的斷面轉(zhuǎn)角：順時針方向為正。 梁斷面的彎矩：左斷面順時針為正，右端面逆時針為正。 梁斷面的剪力：左斷面向下為正，右斷面向上為正。 解題要點 單跨等直梁的彎曲理論：要求在己知梁的尺寸、材料、載荷及邊界條件下能求得梁的彎曲要素─梁的撓度、轉(zhuǎn)角、彎矩及切力；并由此計算出梁的變形與應(yīng)力 求解單跨梁彎曲要素的基本方法是彎曲微分方程式的積分法，即初參數(shù)法，實用方法是利用已知的梁的彎曲要素表和疊加法 應(yīng)用初參數(shù)法求解梁的彎曲問題時，可利用己導(dǎo)出的梁在一般荷重作用下、任意邊界條件下的撓曲線方程式，再利用梁端的邊界條件求出方程式中的未知常數(shù)(初參數(shù))。因此，正確寫出梁的邊界條件是重要的。解題時應(yīng)注意梁的坐標、荷重的位置與方向，還要能正確寫出分布荷重的表達式。 力法 力法以單跨梁建立的彎曲要素表和疊加原理為基礎(chǔ)，通過以結(jié)構(gòu)中某些特殊節(jié)點(如支座處、斷面變化處、相交節(jié)點處)的節(jié)點力(或力矩)為基本未知數(shù)，以這些節(jié)點處的變形連續(xù)條件建立方程式，解出未知力，從而將復(fù)雜的桿系結(jié)構(gòu)化為一根根在節(jié)點處相聯(lián)系的單跨梁。因此力法在具體計算時，某對象仍為單跨梁。 對于在剛性支座上的連續(xù)梁及不可動節(jié)點簡單剛架，建議將結(jié)構(gòu)在支座或節(jié)點處拆為一段段兩端自由支持的單跨梁加上未知彎矩，然后用轉(zhuǎn)角連續(xù)條件求解。因此有幾個未知彎矩必有幾個相應(yīng)的轉(zhuǎn)角連續(xù)方程式即三彎矩方程式。 對于在彈性支座上的連續(xù)梁，還需在每一個彈性支座處列補充方程式，最后所得的轉(zhuǎn)角連續(xù)方程式即為五彎矩方程式。 力法解題步驟 1.應(yīng)用力法，將靜不定的結(jié)構(gòu)的多余約束去掉代以約束反力，使其成為靜定結(jié)構(gòu)。 2.在去掉約束出現(xiàn)約束反力的地方列變形連續(xù)方程式以保證基本結(jié)構(gòu)的變形與原結(jié)構(gòu)相同。 3.解變形連續(xù)方程式求出未知力，并進一步可求出結(jié)構(gòu)的彎曲要素。 位移法 在船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)中，位移法的主要研究對象為船體結(jié)構(gòu)中 的不可動節(jié)點復(fù)雜剛架，可動節(jié)點簡單剛架及簡單板架等 由于位移法中所采用的桿端彎曲要素的符號法則與第二章單跨粱及第三章力法中不完全相同，因此首先要明確位移法中新的符號規(guī)定：桿件兩端的彎矩與轉(zhuǎn)角一律以順時針方向為正；桿端的剪力與撓度要根據(jù)桿件的局部坐標來定，但兩個端點處的剪力與撓度的正向相同。 位移法解桿系問題時，將各桿件視為兩端剛性固定的單跨梁，然后強迫可以發(fā)生位移的支座或節(jié)點斷面產(chǎn)生協(xié)調(diào)一致的變形，并要滿足支座或節(jié)點處力的平衡條件。因此位移法的幾何協(xié)調(diào)條件自行滿足，聯(lián)系位移與力的關(guān)系的物理條件是剛度系數(shù)，建立方程式組的條件是力的平衡條件，基本未知數(shù)是位移。 用位移法解可動節(jié)點簡單剛架及板架時，先分析結(jié)構(gòu)中有幾個節(jié)點或支座會發(fā)生轉(zhuǎn)角及線位移(撓度)，并把它們作為未知量。然后對每一個發(fā)生轉(zhuǎn)角的節(jié)點或支座處列彎矩平衡方程式，對每一個發(fā)生線位移的節(jié)點或支座處列剪力平衡方程式，因此未知數(shù)的數(shù)且與方程式的數(shù)目相同，問題可以解決。 位移法解題步驟 1.分析結(jié)構(gòu)的節(jié)點，看以下幾個節(jié)點可以發(fā)生轉(zhuǎn)角，從而決定有幾個未知數(shù) 2.設(shè)想在可能有轉(zhuǎn)角發(fā)生的節(jié)點處全加上抗轉(zhuǎn)約束。 3.設(shè)想將加固的各節(jié)點強迫轉(zhuǎn)動使其發(fā)生轉(zhuǎn)角，并由此寫出各桿的桿端總彎矩。 4.對發(fā)生轉(zhuǎn)動的各節(jié)點建立節(jié)點彎矩平衡方程。 5.解彎矩平衡方程式組可得各轉(zhuǎn)角，計算各桿的桿端彎矩，從而求出各桿的彎曲要素。 能量法 能量法是利用結(jié)構(gòu)在外載荷作用下的功及應(yīng)變能的概念解決計算問題的方法，它在結(jié)構(gòu)分析中應(yīng)用甚廣，因此掌握能量法中的基本原理及解題方法十分重要。 能量法的基本原理，包括虛位移原理及虛力原理。 虛位移原理等價于結(jié)構(gòu)的平衡條件，因此基于虛位移原功方法是位移法。由虛位移原理可導(dǎo)出位能駐值原理，最小勢能原理的計算公式。常用的計算方法是勢能駐值原理的近似法，即李茲法。 虛應(yīng)力原理等價于結(jié)構(gòu)的變形協(xié)調(diào)條件，因此基于虛應(yīng)力原理的方法是力法。由虛應(yīng)力原理可導(dǎo)出余能駐值原理。常用的計算方法是最小功原理及卡氏第二定理。 要理解與上述原理有關(guān)的量：外力功、應(yīng)變能、余功、余能，總勢能、總余位能、力函數(shù)等的意義以及在不同應(yīng)用中的表達形式，還要注意線性體系與非線性體系的差別。 李茲法計算步驟 1.建立坐標系 2.找出滿足梁端位移邊界條件的基函數(shù)，將梁的撓曲線寫成級數(shù)形式。 3.計算梁的應(yīng)變能V，此應(yīng)變能必須表達為v(x) 的函數(shù) 4.計算梁的力函數(shù)時，它等于梁上外力與對應(yīng)的位移的乘積之和。對于所取的v(x) ，計算時要注意外力的方向是否與位移方向一致。 5.計算結(jié)構(gòu)的總勢能 Π=V-U ，并將Π對ai求偏導(dǎo)后等于零，解之可得ai，代入v(x)的式中得梁的撓曲線，并可進一步求出梁的彎矩、剪力等彎曲要素。 矩陣法 基本原理：按位移法的基本原理，運用矩陣計算內(nèi)力和位移的方法。 基本思路：化整為零（離散，單元分析） 合零為整（整體分析） 術(shù)語：離散、單元、節(jié)點、坐標系統(tǒng)、自由度、桿元端點力、單元剛度矩陣。 桿元類型和單元剛度矩陣 四種基本類型：拉壓、扭轉(zhuǎn)、xoy平面彎曲、xoz平面彎曲。 組合情況：平面鋼架、平面板架、平面桁架。 約束處理 一般：劃去位移為零的行和列。 特殊：彈性約束、強迫位移、外力為平衡力系無約束 結(jié)構(gòu)。 解題步驟 1.結(jié)構(gòu)離散，確定局部坐標和整體坐標系。 2.建立桿元剛度矩陣。（局部坐標系下） 3.建立整體坐標系下的桿元剛度矩陣。（坐標轉(zhuǎn)換） 4.組合總剛度矩陣。（對號入座） 5.計算外載荷矩陣。 6.約束處理。 7.求平衡方程組。 8.求桿元內(nèi)力與變形。（節(jié)點位移轉(zhuǎn)換到局部坐標系下） Thank youL1V紅軟基地

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