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船舶結(jié)構(gòu)力學(xué) 讀書(shū)筆記 船舶結(jié)構(gòu)強(qiáng)度重要性 進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，世界經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展給造船業(yè)帶來(lái)千載難逢的發(fā)展機(jī)遇，造船技術(shù)與設(shè)計(jì)手段得到了迅速地更新，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)得到了進(jìn)一步的提高，使新船型不斷涌現(xiàn)。當(dāng)前，在大力發(fā)展造船業(yè)的同時(shí)，要把提高產(chǎn)品質(zhì)量作為一項(xiàng)非常重要的工作。因?yàn)榇�體結(jié)構(gòu)損壞事故時(shí)有發(fā)生，據(jù)統(tǒng)計(jì)：來(lái)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(duì)財(cái)產(chǎn)、生命、環(huán)境都將構(gòu)成嚴(yán)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(mén)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(wèn)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(duì)船體結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度及變形分析的能力 船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)研究對(duì)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(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值計(jì)算 結(jié)構(gòu)力學(xué)課程討論理論分析和數(shù)值計(jì)算方面的內(nèi)容 在結(jié)構(gòu)分析中，首先把實(shí)際結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化成計(jì)算模型，稱為結(jié)構(gòu)計(jì)算簡(jiǎn)圖，然后再對(duì)計(jì)算簡(jiǎn)圖進(jìn)行計(jì)算 結(jié)構(gòu)力學(xué)的計(jì)算問(wèn)題分為兩類：一類為靜定性的問(wèn)題，只需根據(jù)平衡條件，即可求解，另一類為超靜定性的問(wèn)題，必須滿足三個(gè)基本條件，方能求解 三個(gè)基本條件 (1)力系的平衡條件或運(yùn)動(dòng)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(méi) 有重疊或縫隙；同時(shí)結(jié)構(gòu)的變形和位移應(yīng)滿 足支座和節(jié)點(diǎn)的約束條件 (3)應(yīng)力與變形間的物理?xiàng)l件 把結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形聯(lián)系起來(lái)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(shí)針?lè)较驗(yàn)檎��?梁斷面的彎矩：左斷面順時(shí)針為正，右端面逆時(shí)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(diǎn) 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(jì)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(shí)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(wèn)題時(shí)，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(xiě)出梁的邊界條件是重要的。解題時(shí)應(yīng)注意梁的坐標(biāo)、荷重的位置與方向，還要能正確寫(xiě)出分布荷重的表達(dá)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(guò)以結(jié)構(gòu)中某些特殊節(jié)點(diǎn)(如支座處、斷面變化處、相交節(jié)點(diǎn)處)的節(jié)點(diǎn)力(或力矩)為基本未知數(shù)，以這些節(jié)點(diǎn)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(diǎn)處相聯(lián)系的單跨梁。因此力法在具體計(jì)算時(shí)，某對(duì)象仍為單跨梁。 對(duì)于在剛性支座上的連續(xù)梁及不可動(dòng)節(jié)點(diǎn)簡(jiǎn)單剛架，建議將結(jié)構(gòu)在支座或節(jié)點(diǎn)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(gè)未知彎矩必有幾個(gè)相應(yīng)的轉(zhuǎn)角連續(xù)方程式即三彎矩方程式。 對(duì)于在彈性支座上的連續(xù)梁，還需在每一個(gè)彈性支座處列補(bǔ)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(jìn)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(duì)象為船體結(jié)構(gòu)中 的不可動(dòng)節(jié)點(diǎn)復(fù)雜剛架，可動(dòng)節(jié)點(diǎn)簡(jiǎn)單剛架及簡(jiǎn)單板架等 由于位移法中所采用的桿端彎曲要素的符號(hào)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(hào)規(guī)定：桿件兩端的彎矩與轉(zhuǎn)角一律以順時(shí)針?lè)较驗(yàn)檎�；桿端的剪力與撓度要根據(jù)桿件的局部坐標(biāo)來(lái)定，但兩個(gè)端點(diǎn)處的剪力與撓度的正向相同。 位移法解桿系問(wèn)題時(shí)，將各桿件視為兩端剛性固定的單跨梁，然后強(qiáng)迫可以發(fā)生位移的支座或節(jié)點(diǎn)斷面產(chǎn)生協(xié)調(diào)一致的變形，并要滿足支座或節(jié)點(diǎn)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?xiàng)l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(dòng)節(jié)點(diǎn)簡(jiǎn)單剛架及板架時(shí)，先分析結(jié)構(gòu)中有幾個(gè)節(jié)點(diǎn)或支座會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)角及線位移(撓度)，并把它們作為未知量。然后對(duì)每一個(gè)發(fā)生轉(zhuǎn)角的節(jié)點(diǎn)或支座處列彎矩平衡方程式，對(duì)每一個(gè)發(fā)生線位移的節(jié)點(diǎn)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(wèn)題可以解決。 位移法解題步驟 1.分析結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)，看以下幾個(gè)節(jié)點(diǎn)可以發(fā)生轉(zhuǎn)角，從而決定有幾個(gè)未知數(shù) 2.設(shè)想在可能有轉(zhuǎn)角發(fā)生的節(jié)點(diǎn)處全加上抗轉(zhuǎn)約束。 3.設(shè)想將加固的各節(jié)點(diǎn)強(qiáng)迫轉(zhuǎn)動(dòng)使其發(fā)生轉(zhuǎn)角，并由此寫(xiě)出各桿的桿端總彎矩。 4.對(duì)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)的各節(jié)點(diǎn)建立節(jié)點(diǎn)彎矩平衡方程。 5.解彎矩平衡方程式組可得各轉(zhuǎn)角，計(jì)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(jì)算問(wèn)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(jià)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(shì)能原理的計(jì)算公式。常用的計(jì)算方法是勢(shì)能駐值原理的近似法，即李茲法。 虛應(yīng)力原理等價(jià)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(jì)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(shì)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(dá)形式，還要注意線性體系與非線性體系的差別。 李茲法計(jì)算步驟 1.建立坐標(biāo)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(xiě)成級(jí)數(shù)形式。 3.計(jì)算梁的應(yīng)變能V，此應(yīng)變能必須表達(dá)為v(x) 的函數(shù) 4.計(jì)算梁的力函數(shù)時(shí)，它等于梁上外力與對(duì)應(yīng)的位移的乘積之和。對(duì)于所取的v(x) ，計(jì)算時(shí)要注意外力的方向是否與位移方向一致。 5.計(jì)算結(jié)構(gòu)的總勢(shì)能 Π=V-U ，并將Π對(duì)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(jìn)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(yùn)用矩陣計(jì)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(yǔ)：離散、單元、節(jié)點(diǎn)、坐標(biāo)系統(tǒng)、自由度、桿元端點(diǎn)力、單元?jiǎng)偠染仃嚒? 桿元類型和單元?jiǎng)偠染仃? 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(qiáng)迫位移、外力為平衡力系無(wú)約束 結(jié)構(gòu)。 解題步驟 1.結(jié)構(gòu)離散，確定局部坐標(biāo)和整體坐標(biāo)系。 2.建立桿元?jiǎng)偠染仃�。（局部坐�?biāo)系下） 3.建立整體坐標(biāo)系下的桿元?jiǎng)偠染仃�。（坐�?biāo)轉(zhuǎn)換） 4.組合總剛度矩陣。（對(duì)號(hào)入座） 5.計(jì)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(diǎn)位移轉(zhuǎn)換到局部坐標(biāo)系下） Thank youL1V紅軟基地

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