CN108595791A - 一种考虑强力上层建筑的船体梁总纵强度规范校核方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种考虑强力上层建筑的船体梁总纵强度规范校核方法，属于船舶强度校核的技术领域。一种船体梁总纵强度规范校核方法包括判断是否为强力上层建筑或甲板室；计算应力折减系数；计算上建平均面积折减系数；计算上建甲板处应力折减系数；计入上建面积折减后的总纵强度校核剖面的剖面要素；船体梁弯曲强度校核；船体梁弯曲强度许用静水弯矩校核；船体梁许用静水剪力校核；计算并校核屈曲强度的工作应力以及船体梁构件的屈曲强度；本发明将上层建筑的应力及面积折减系数应用到船体梁总纵强度规范校核中，提供了一种船体梁总纵强度规范校核方法，有利于合理评估上层建筑对全船总纵强度的影响，提高全船的材料利用率。

Description

一种考虑强力上层建筑的船体梁总纵强度规范校核方法

技术领域

本发明涉及船舶强度校核的技术领域，具体是涉及一种考虑强力上层建筑的船体梁总纵强度规范校核方法，更具体是涉及一种考虑强力上层建筑或甲板室应力及面积折减系数的考虑强力上层建筑的船体梁总纵强度规范校核方法。

背景技术

船舶上很多都设置有上层建筑，并且根据上层建筑参与总纵强度的程度可将其分为以下两类，第一种是轻型上层建筑，第二种是强力上层建筑。轻型上层建筑相对于主船体梁长度较短或者采用了弹性接头连接型式等，可认为其不参与船体梁的总纵弯曲；而强力上层建筑相对于主船体梁长度较长，与主船体的连接较为紧密，认为其与主船体一起参与船体梁的总纵弯曲。对具有强力上层建筑的船体梁总纵强度规范校核在船体结构设计规范中未明确规定。

强力上层建筑参与主船体的总纵弯曲是通过上层建筑与主船体之间的相互作用力来实现的。上层建筑与主船体之间存在着结构不连续现象，当承受弯矩作用时,一方面两者之间的连接使得上层建筑与主船体的变形趋于一致；另一方面由于上层建筑端点效应的作用,使得上层建筑有背离主船体的趋势。上层建筑参与总纵强度的程度与其长度、宽度、刚度等密切相关。对于强力上层建筑来说,中部通常参与总纵强度较高,其参与程度向两端逐渐减弱。强力上层建筑的设置较大程度改变了船体梁总纵弯曲应力的分布。规范中通常规定,强力上层建筑满足一定条件时即可按100％参与总纵强度进行设计,而对更复杂的上层建筑一般是以其参与总纵弯曲的有效度来表征其对总纵强度的贡献。

在船体梁总纵强度校核中，完全计入或完全忽略强力上层建筑剖面，都不能得到船体梁真实的应力分布，从而会造成材料的不合理分配或上层建筑总纵强度不足。如何根据有效度的变化在总纵强度校核中计入强力上层建筑，对合理评估船体梁应力，结构材料合理分配,以达到结构最优的目的来说至关重要。

目前，各主要船级社规范在总纵强度校核中都未计入强力上层建筑的影响，仅英国劳氏船级社在强力上层建筑的设计中考虑了面积折减系数的影响，但是规范给出的是上层建筑或甲板室中部最上端的平均面积折减系数，对于折减系数如何沿剖面高度变化、如何沿上层建筑或甲板室纵向变化均未给出有效的说明。

综上所述，目前行业中缺乏对上层建筑应力及面积折减系数的考虑强力上层建筑的船体梁总纵强度规范校核方法，无法有效评估上层建筑对全船总纵强度的影响。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，现旨在提供一种考虑强力上层建筑的船体梁总纵强度规范校核方法，以目前行业中对船体梁总纵强度校核要求为基础，将强力上层建筑的应力及面积折减系数应用到船体梁总纵强度规范校核中，合理评估上层建筑对全船总纵强度的影响，提高了全船的材料利用率。

具体技术方案如下：

一种考虑强力上层建筑的船体梁总纵强度规范校核方法，包括以下几个步骤：

步骤一，根据规范要求，判断上层建筑或甲板室参与总纵强度的程度，判断是否为强力上层建筑或甲板室；

步骤二，计算应力折减系数

定义为上层建筑或甲板室中和轴处实际应力与上层建筑完全参与总纵弯曲时上层建筑或甲板室中和轴处应力之比，应力折减系数通过经验公式计算或通过斯曼斯基间断梁理论计算；

步骤三，计算上层建筑或甲板室平均面积折减系数λ；

λ通过得到，或通过主船体有限元应力结果计算得到；

步骤四，计算应力折减系数

定义为上层建筑或甲板室中和轴处实际应力与假定上层建筑面积折减后剖面满足平端面假设时上层建筑或甲板室中和轴处应力之比，可以通过与和λ的关系计算得到；

步骤五，计算上层建筑或甲板室甲板处应力折减系数η_S；

η_S按照上层建筑或甲板室应力分布线性假定通过求得，或通过全船有限元总纵强度直接计算得到，再根据各层甲板应力在垂向的线性关系，进而得到上层建筑或甲板室面积折减后剖面满足平端面假定时上层建筑或甲板室最上层甲板处的应力，从而计算得到上层建筑或甲板室甲板处应力折减系数η_S；

步骤六，计算计入上层建筑或甲板室面积折减后的总纵强度校核剖面的剖面要素；

将各层上层建筑或甲板室剖面以平均面积折减系数λ计入船体梁横剖面要素计算中，从而得到考虑上层建筑或甲板室参与总纵弯曲的剖面要素；

步骤七，船体梁弯曲强度W₀和I₀校核；

校核船中0.4L区域内主甲板、上层建筑或甲板室最上层甲板和龙骨处的剖面模数W和剖面对水平中和轴的惯性矩I是否满足最小剖面模数W₀和最小惯性矩I₀要求，计入W₀的剖面为主船体有效纵向构件剖面以及上层建筑或甲板室有效纵向构件剖面按λ折减后的剖面，其中，上建最上层甲板须满足的W₀和I₀应计入应力折减系数η_S的影响；

步骤八，校核船体梁弯曲强度许用静水弯矩；

船体梁许用静水弯矩应小于许用合成弯矩与波浪弯矩之差，并在计算许用合成弯矩时考虑强力上层建筑参与总纵弯曲的影响；

步骤九，校核船体梁许用静水剪力；

根据船舶装载状态，提取各装载状态下静水剪力的最大包络值，同时根据船体梁许用中拱和中垂静水剪力应包络住装载手册中给出的任一工况下所计算的最严重的中拱和中垂设计静水剪力，对各剖面处的载荷考虑一定的余量得到船中区域不同剖面处的许用静水剪力，并且在计算许用静水剪力上下限值时应考虑强力上层建筑参与总纵弯曲的影响，即船体梁许用静水剪力应小于其上下限值，计算其上下限值时剖面惯性矩及半剖面静矩应为步骤6中考虑上建剖面以平均面积折减系数λ计入的船体梁横剖面。

步骤十，计算并校核屈曲强度的工作应力，计算时应计及上建剖面面积及应力折减，并按照工作应力进行屈曲强度校核剖面筛选；

步骤十一，校核船体梁构件的屈曲强度。校核剖面应包含参与总纵弯曲的上层建筑有效纵向构件。

上述技术方案的积极效果是：以目前行业中对船体梁总纵强度校核方法为基础，提供了一种计入强力上层建筑应力及面积折减系数的船体梁总纵强度规范校核的实施方法，使得船体梁总纵强度校核能够真实反映考虑强力上层建筑影响后船体梁应力分布和总纵强度储备，合理评估强力上层建筑对全船总纵强度的影响，提高了全船的材料利用率。

附图说明

图1为本发明的一种考虑强力上层建筑的船体梁总纵强度规范校核方法的流程图；

图2为本发明一较佳实施例的基于简单梁理论的各层甲板应力分布图；

图3为本发明一较佳实施例的一种斯曼斯基间断梁理论计算应力折减系数剖面要素定义示意图；

图4为本发明一较佳实施例的另一种斯曼斯基间断梁理论计算应力折减系数剖面要素定义示意图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图1至附图4对本发明提供的技术方案作具体阐述，但以下内容不作为本发明的限定。

本实施例中，上建均指代上层建筑或甲板室。

图1为考虑强力上层建筑的船体梁总纵强度规范校核方法的流程图；图2为本发明一较佳实施例的基于简单梁理论的各层甲板应力分布图；图3为本发明一较佳实施例的一种斯曼斯基间断梁理论计算应力折减系数剖面要素定义示意图；图4为本发明一较佳实施例的另一种斯曼斯基间断梁理论计算应力折减系数剖面要素定义示意图。如图1、图2、图3以及图4所示，本实施例提供的考虑强力上层建筑的船体梁总纵强度规范校核方法包括以下几个步骤：

步骤一，根据规范要求，判断上层建筑或甲板室参与总纵强度的程度，判断是否为强力上层建筑或甲板室；

强力上层建筑为其长度大于0.15L且不小于其高度的6倍，且在船中0.5L范围内保持连续，同时，还满足公式：

l₁＞b₁+3h₁ (1)

其中，L为船长，其单位为m；l₁为第一层上建长度，其单位为m；b₁为第一层上建宽度，其单位为m；h₁为第一层上建高度，其单位为m。

步骤二，计算应力折减系数

定义为上层建筑或甲板室中和轴处实际应力与上层建筑完全参与总纵弯曲时上层建筑或甲板室中和轴处应力之比，应力折减系数通过经验公式计算或通过斯曼斯基间断梁理论计算；

根据应力折减系数的定义，其表达式为：

上式中，为上建中和轴处的实际应力，其单位为Mpa；为上建完全参与总纵弯曲时上建中和轴处的应力，其单位为Mpa，如图2所示。

当通过经验公式计算时，选用《船舶设计实用手册》(结构分册)中提出的计算公式进行计算，计算公式为：

上式中，k_xsmax为上建中部最大的有效系数；l为上建长度，其单位为m；x为剖面距上建端部的距离，其单位为m。

并且k_xsmax的计算公式如下：

当C≤8时，

k_xsmax＝C(0.37-0.046C+0.0019C²) (4)

当C>8时，

k_xsmax＝0.97 (5)

并且系数C的计算公式为：

上式中，B₁为扣除上建甲板开口的上建宽度，其单位为m；h为上建高度，其单位为m。

当通过斯曼斯基间断梁理论计算时，应力折减系数的计算公式为：

上式中，l为上建长度，其单位为m；l'为上建长度的一半，其单位为m。

并且式7中a的计算公式为：

上式中，E为材料的弹性模量，其单位为Mpa，常用钢材E＝2.06×10⁵；k为全剖面结构的刚度系数；F为计算剖面处主船体的剖面总面积，其单位为cm²；f为上建的剖面总面积，其单位为cm²；I₀为计算剖面处主船体的自身面积惯性矩，其单位为cm²·m²；i₀为上建的自身面积惯性矩，其单位为cm²·m²；i₁为上建纵向构件对主船体中和轴的面积惯性矩，其单位为cm²·m²。

并且式8中k和i₁的计算公式分别为：

i₁＝f(e₁+e₂)² (10)

上式中，k₁为上建剖面的刚度系数；t₁为上建侧壁板厚度，其单位为mm；t₂为上建侧壁板邻近的主船体舷顶列板或纵舱壁顶列板厚度，其单位为mm；t₃，t₄分别为与上建侧壁相连接的主船体甲板不同位置的厚度，其单位为mm；e₁为仅主船体剖面对应的中和轴至上甲板的距离，其单位为m；e₂为仅上建剖面对应的中和轴至主船体上甲板的距离，其单位为m。

并且式9中k₁的计算公式为：

上式中，G为材料的剪切模量，其单位为Mpa，常用钢材G＝7.92×10⁴；t₁为上建侧壁板厚度，其单位为mm；f为上建的剖面总面积，其单位为cm²；e₂为仅上建剖面对应的中和轴至主船体上甲板的距离，其单位为m。如图2、图3以及图4所示。

步骤三，计算上建平均面积折减系数λ；

λ通过《船舶设计实用手册》(结构分册)给出的公式利用得到，或通过主船体有限元应力结果计算得到。

通过《船舶设计实用手册》(结构分册)给出的公式计算：

上式中，为应力折减系数；f为上建的剖面总面积，其单位为cm²；F为计算剖面处主船体的剖面总面积，其单位为cm²；e₁为仅主船体剖面对应的中和轴至上甲板的距离，其单位为m；e₂为仅上建剖面对应的中和轴至主船体上甲板的距离，其单位为m；I₀为计算剖面处主船体的自身面积惯性矩，其单位为cm²·m²；i₀为上建的自身面积惯性矩，其单位为cm²·m²。

采用有限元直接计算法，根据主船体有限元应力结果计算λ时，λ可通过主甲板应力与剖面折减后惯性矩的关系得到，其换算方法为，先计算σ_dη，σ_dη为主船体甲板处的应力，由有限元计算得到，其单位为Mpa。

上式中，M为计算剖面处的设计载荷，通过规范计算得到，其单位为kN·m；e₁为仅主船体剖面对应的中和轴至上甲板的距离，其单位为m；Δ_λ为上建平均面积折减系数λ时整个剖面实际中和轴相对于主船体剖面中和轴的向上偏移量，其单位为m；I_λ为上建平均面积折减系数λ时整个剖面相对于全剖面实际中和轴的面积惯性矩，其单位为cm²·m²。

式13中，Δ_λ、I_λ的计算公式分别为：

上式中，λ为上建平均面积折减系数；f为上建的剖面总面积，其单位为cm²；F为计算剖面处主船体的剖面总面积，其单位为cm²；e₁为仅主船体剖面对应的中和轴至上甲板的距离，其单位为m；e₂为仅上建剖面对应的中和轴至主船体上甲板的距离，其单位为m；I₀为计算剖面处主船体的自身面积惯性矩，其单位为cm²·m²；i₀为上建的自身面积惯性矩，其单位为cm²·m²；i₁为上建纵向构件对主船体中和轴的面积惯性矩，其单位为cm²·m²。

将式14、式15以及i₁代入式13中，同时省去λ二阶小量可得：

其中，C₁的计算公式为：

C₁＝I₀f+i₀F+i₁F (17)

上式中，M为计算剖面处的设计载荷，其单位为kN·m；f为上建的剖面总面积，其单位为cm²；F为计算剖面处主船体的剖面总面积，其单位为cm²；e₁为仅主船体剖面对应的中和轴至上甲板的距离，其单位为m；e₂为仅上建剖面对应的中和轴至主船体上甲板的距离，其单位为m；I₀为计算剖面处主船体的自身面积惯性矩，其单位为cm²·m²；i₀为上建的自身面积惯性矩，其单位为cm²·m²；i₁为上建纵向构件对主船体中和轴的面积惯性矩，其单位为cm²·m²。

步骤四，计算应力折减系数

定义为上层建筑或甲板室中和轴处实际应力与假定上层建筑面积折减后剖面满足平端面假设时上层建筑或甲板室中和轴处应力之比，可以通过与和λ的关系计算得到。

根据应力折减系数的定义，其计算公式如下：

上式中，为上建中和轴处的实际应力，其单位为Mpa；σ_S0为上建面积折减后剖面满足平端面假定时上建中和轴处应力，其单位为Mpa。

将和λ代入式18中，得到如下表达式：

上式中，I₁₀₀为上建完全参与总纵强度时整个剖面相对于全剖面实际中和轴的面积惯性矩，其单位为cm²·m²；其计算公式为：

Δ₁₀₀为上建完全参与总纵强度时整个剖面实际中和轴相对于全剖面实际中和轴的向上偏移量，其单位为m，其计算公式为：

将式14、式15、式20以及式21代入式19中，同时省去λ二阶小量，可得公式如下：

其中，C₂、C₃、C₄以及C₅的计算公式分别为：

C₂＝i₀/I₀ (23)

C₃＝i₁/I₀ (24)

C₄＝1+i₀/I₀ (25)

C₅＝1+i₀/I₀+i₁/I₀ (26)

上式中，为应力折减系数；λ为上建平均面积折减系数；f为上建的剖面总面积，其单位为cm²；F为计算剖面处主船体的剖面总面积，其单位为cm²；i₀为上建的自身面积惯性矩，其单位为cm²·m²；i₁为上建纵向构件对主船体中和轴的面积惯性矩，其单位为cm²·m²。

步骤五，计算上建甲板处应力折减系数η_S；

η_S按照上建应力分布线性假定通过求得，或通过全船有限元总纵强度直接计算得到精确值，再根据各层甲板应力在垂向的线性关系，进而得到上建面积折减后剖面满足平端面假定时上建最上层甲板处的应力，从而计算得到上建甲板处应力折减系数η_S。

当按照上建应力分布线性假定通过应力折减系数求得时，计算公式为：

推导可得：

上式中，h为参与总纵弯曲的上建高度，其单位为m；e₁为仅主船体剖面对应的中和轴至上甲板的距离，其单位为m；e₂为仅上建剖面对应的中和轴至主船体上甲板的距离，其单位为m；Δ_λ为上建平均面积折减系数λ时整个剖面实际中和轴相对于主船体剖面中和轴的向上偏移量，其单位为m。

当采用有限元结果计算时，需按照规范要求建立全船有限元模型，进行整船总纵强度直接计算，提取上建各层甲板、主船体各层甲板的平均名义应力。根据主船体应力沿垂向高度方向近似呈线性分布的特点，拟合得到应力与垂向高度的线性关系，进而得到假定上建面积折减后剖面满足平端面假设时上建最上层甲板处应力σ_S0，如图2所示。

此时

上式中，H为参与总纵弯曲的主船体的高度；其单位为m；h为参与总纵弯曲的上建高度，其单位为m；σ_dη为主甲板处的弯曲正应力，其单位为MPa，通过全船有限元分析得到；σ_bη为船体龙骨处的弯曲正应力，其单位为MPa，通过全船有限元分析得到。如图2所示。

进而得到上建最上层甲板处的应力折减系数为：

上式中，σ_Sη为上建最上层甲板处的实际应力，其单位为Mpa，通过全船有限元分析得到，如图2所示。

步骤六，计算计入上建面积折减后的总纵强度校核剖面的剖面要素；

将各层上建剖面以平均面积折减系数λ计入船体梁横剖面要素计算中，从而得到考虑上建参与总纵弯曲的剖面要素。

步骤七，船体梁弯曲强度W₀和I₀校核；

校核船中0.4L区域内主甲板、上层建筑或甲板室最上层甲板和龙骨处的剖面模数W和剖面对水平中和轴的惯性矩I是否满足最小剖面模数W₀和最小惯性矩I₀要求，计入W₀的剖面为主船体有效纵向构件剖面以及上层建筑或甲板室有效纵向构件剖面按λ折减后的剖面，其中，上建最上层甲板须满足的W₀和I₀应计入应力折减系数η_S的影响。

主船体主甲板和龙骨处的最小剖面模数要求需满足以下公式：

W₀＝CL²B(C_b+0.7) (31)

上建最上层甲板处的最小剖面模数要求需满足以下公式：

W_λ0＝η_SCL²B(C_b+0.7) (32)

主船体主甲板和龙骨处的最小惯性矩要求需满足以下公式：

I₀＝3W₀L (33)

上建最上层甲板处的最小惯性矩要求需满足以下公式：

I_λ0＝3η_SW₀L (34)

上式中，L为船长，其单位为m；B为上层甲板在说考虑位置处的最大实际宽度，其单位为m；C_b为方形系数；η_S为上建甲板处应力折减系数。

步骤八，校核船体梁弯曲强度许用静水弯矩；

根据船舶装载状态，提取各装载状态下静水弯矩的最大包络值，同时根据船体梁许用中拱和中垂静水弯矩应包络住装载手册中给出的任一工况下所计算的最严重的中拱和中垂设计静水弯矩，对各剖面处的载荷考虑一定的余量得到船中区域不同剖面处的许用静水弯矩。船体梁许用静水弯矩应小于许用合成弯矩与波浪弯矩之差。

船体梁弯曲强度许用静水弯矩应满足的条件如下：

上式中，M_W为波浪弯矩，其单位为kN·m；为许用合成弯矩，其单位为KN·m。

在考虑强力上层建筑参与总纵弯曲的影响时计算许用合成弯矩，并且在计算许用合成弯矩时应考虑上层建筑参与总纵弯曲的影响，影响体现在以下三点，分别为：第一点，剖面要素应为上述步骤六中考虑上建剖面以平均面积折减系数λ计入船体梁横剖面时的剖面要素；第二点，除了计算主船体底部和主甲板处的许用合成弯矩，还应计算参与总纵强度的最上层上建甲板的许用合成弯矩；第三点，计算最上层上建甲板的许用合成弯矩时应考虑应力折减。即在计算许用合成弯矩时应考虑上建参与总纵弯曲的影响，计算中以应力折减系数η_S和W_{λS s}计入，同时根据计及上建后船体全剖面总纵弯曲应力分布特点，许用合成弯矩还应考虑最上层上建甲板位置处。

并且，应取下列式子中的较小者，其单位为kN·m：

上式中，W_λS为上建最上层甲板处计及上建剖面平均面积折减系数λ的剖面模数，其单位为cm³；W_λd为主甲板处计及上建剖面平均面积折减系数λ的剖面模数，其单位为cm³；W_λb为龙骨处计及上建剖面平均面积折减系数λ的剖面模数，其单位为cm³；η_S为计算构件所在上建甲板处的应力折减系数；[σ]为弯曲许用应力，其单位为N/mm²；F_s、F_d和F_b均为局部构件尺寸折减系数。

其中，

F_s≥σ_Sη/[σ] (40)

F_d≥σ_dη/[σ] (41)

F_b≥σ_bη/[σ] (42)

上式中，σ_Sη为上建最上层甲板处的总纵弯曲应力，其单位为N/mm²；σ_dη为上甲板处的总纵弯曲应力，其单位为N/mm²；σ_bη为龙骨处的总纵弯曲应力，其单位为N/mm²；如图2所示；[σ]为弯曲许用应力，其单位为N/mm²。

步骤九，校核船体梁许用静水剪力；

根据船舶装载状态，提取各装载状态下静水剪力的最大包络值，同时根据船体梁许用中拱和中垂静水剪力应包络住装载手册中给出的任一工况下所计算的最严重的中拱和中垂设计静水剪力，对各剖面处的载荷考虑一定的余量得到船中区域不同剖面处的许用静水剪力。

船体梁许用静水剪力应小于其上下限值，并且在计算其上下限值时剖面惯性矩及半剖面静矩应为上述步骤六中考虑上建剖面以平均面积折减系数λ计入的船体梁横剖面。

许用静水剪力的上限值计算公式为：

许用静水剪力的下限值计算公式为：

上式中，F_w为波浪剪力，其单位为kN；I_λ为计入上建剖面平均面积折减系数λ的横剖面对水平中和轴的惯性矩，其单位为cm³；S_λ为计入上建剖面平均面积折减系数λ的横剖面上，水平中和轴以上有效纵向构件对水平中和轴的静矩，其单位为cm³；[τ]为许用剪切应力，其单位为N/mm²；δ为船体梁腹板相当厚度。

步骤十，计算并校核屈曲强度的工作应力，并按照工作应力进行屈曲强度校核剖面筛选；

计算总纵弯曲应力及剪切应力时应计入上建剖面面积及应力折减。

由于计入上建平均面积折减系数λ，总纵弯曲正应力由下列公式计算：

主船体弯曲正应力：

上建弯曲正应力：

上式中，为许用静水弯矩，其单位为kN·m；M_W为波浪弯矩，其单位为kN·m；I_λ为计入上建剖面平均面积折减系数λ的横剖面对水平中和轴的惯性矩，其单位为cm⁴；η_S为计算构件所在上建甲板处的应力折减系数；λ为计算构件所在上建的平均面积折减系数；Z为计算构件距计入上建剖面折减后整个剖面实际中和轴的距离，其单位为cm；σ_λ为主船体计算构件处弯曲正应力，其单位为MPa；σ_λS为上建计算构件处弯曲正应力，其单位为Mpa。

剪切应力由下列公式计算：

上式中，为许用静水剪力，其单位为kN；F_W为波浪剪力，其单位为kN；I_λ为计入上建剖面平均面积折减系数λ的横剖面对水平中和轴的惯性矩，其单位为cm⁴；S_λ为计入上建剖面平均面积折减系数λ的横剖面上，水平中和轴以上有效纵向构件对水平中和轴的静矩，其单位为cm³；并且在剪切应力计算中对应的静矩S_λ、惯性矩I_λ等均为计入上建面积折减系数λ后的值。

步骤十一，校核船体梁构件的屈曲强度；

按照上述步骤十中屈曲强度的工作应力，对船体梁构件的屈曲强度进行校核，此时，校核剖面应包含参与总纵弯曲的上建有效纵向构件。

以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所做出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种考虑强力上层建筑的船体梁总纵强度规范校核方法，包括以下几个步骤：

步骤一，根据规范要求，判断上层建筑或甲板室参与总纵强度的程度，判断是否为强力上层建筑或甲板室；

步骤二，计算应力折减系数

定义为上层建筑或甲板室中和轴处实际应力与上层建筑完全参与总纵弯曲时上层建筑或甲板室中和轴处应力之比，应力折减系数通过经验公式计算或通过斯曼斯基间断梁理论计算；

步骤三，计算上层建筑或甲板室平均面积折减系数λ；

λ通过得到，或通过主船体有限元应力结果计算得到；

步骤四，计算应力折减系数

定义为上层建筑或甲板室中和轴处实际应力与假定上层建筑面积折减后剖面满足平端面假设时上层建筑或甲板室中和轴处应力之比，可以通过与和λ的关系计算得到；

步骤五，计算上层建筑或甲板室甲板处应力折减系数η_S；

η_S按照上层建筑或甲板室应力分布线性假定通过求得，或通过全船有限元总纵强度直接计算得到精确值，再根据各层甲板应力在垂向的线性关系，进而得到上层建筑或甲板室面积折减后剖面满足平端面假定时上层建筑或甲板室最上层甲板处的应力，从而计算得到上层建筑或甲板室甲板处应力折减系数η_S；

步骤六，计算计入上层建筑或甲板室面积折减后的总纵强度校核剖面的剖面要素；

将各层上层建筑或甲板室剖面以平均面积折减系数λ计入船体梁横剖面要素计算中，从而得到考虑上层建筑或甲板室参与总纵弯曲的剖面要素；

步骤七，船体梁弯曲强度W₀和I₀校核；

校核船中0.4L区域内主甲板、上层建筑或甲板室最上层甲板和龙骨处的剖面模数W和剖面对水平中和轴的惯性矩I是否满足最小剖面模数W₀和最小惯性矩I₀要求，计入W₀的剖面为主船体有效纵向构件剖面以及上层建筑或甲板室有效纵向构件剖面按λ折减后的剖面，其中，上层建筑或甲板室最上层甲板须满足的W₀和I₀应计入应力折减系数η_S的影响；

步骤八，校核船体梁弯曲强度许用静水弯矩；

船体梁许用静水弯矩应小于许用合成弯矩与波浪弯矩之差，并在计算许用合成弯矩时考虑强力上层建筑参与总纵弯曲的影响；

步骤九，校核船体梁许用静水剪力；

根据船舶装载状态，提取各装载状态下静水剪力的最大包络值，同时根据船体梁许用中拱和中垂静水剪力应包络住装载手册中给出的任一工况下所计算的最严重的中拱和中垂设计静水剪力，对各剖面处的载荷考虑一定的余量得到船中区域不同剖面处的许用静水剪力，并且在计算许用静水剪力上下限值时应考虑强力上层建筑参与总纵弯曲的影响；

步骤十，计算并校核屈曲强度的工作应力，计算时应计及上建剖面面积及应力折减，并按照工作应力进行屈曲强度校核剖面筛选；

步骤十一，校核船体梁构件的屈曲强度，校核剖面应包含参与总纵弯曲的上层建筑有效纵向构件。

2.根据权利要求1所述的考虑强力上层建筑的船体梁总纵强度规范校核方法，其特征在于，所述强力上层建筑为其长度大于0.15L且不小于其高度的6 倍，且在船中0.5L范围内保持连续，同时，还满足公式l₁＞b₁+3h₁，

其中，L为船长，其单位为m；l₁为第一层上层建筑或甲板室长度，其单位为m；b₁为第一层上层建筑或甲板室宽度，其单位为m；h₁为第一层上层建筑或甲板室高度，其单位为m。

3.根据权利要求2所述的考虑强力上层建筑的船体梁总纵强度规范校核方法，其特征在于，所述应力折减系数的表达式为：

上式中，为上层建筑或甲板室中和轴处的实际应力，其单位为Mpa；为上层建筑或甲板室完全参与总纵弯曲时上层建筑或甲板室中和轴处的应力，其单位为Mpa。

4.根据权利要求3所述的考虑强力上层建筑的船体梁总纵强度规范校核方法，其特征在于，上层建筑或甲板室的所述平均面积折减系数λ的基于有限元法的计算公式为：

C₁＝I₀f+i₀F+i₁F

上式中，M为计算剖面处的设计载荷，其单位为kN·m；f为上层建筑或甲板室的剖面总面积，其单位为cm²；F为计算剖面处主船体的剖面总面积，其单位为cm²；e₁为仅主船体剖面对应的中和轴至上甲板的距离，其单位为m；e₂为仅上层建筑或甲板室剖面对应的中和轴至主船体上甲板的距离，其单位为m；I₀为计算剖面处主船体的自身面积惯性矩，其单位为cm²·m²；i₀为上层建筑或甲板室的自身面积惯性矩，其单位为cm²·m²；i₁为上层建筑或甲板室纵向构件对主船体中和轴的面积惯性矩，其单位为cm²·m²。

5.根据权利要求4所述的考虑强力上层建筑的船体梁总纵强度规范校核方法，其特征在于，所述应力折减系数的计算公式如下：

C₂＝i₀/I₀

C₃＝i₁/I₀

C₄＝1+i₀/I₀

C₅＝1+i₀/I₀+i₁/I₀

上式中，为应力折减系数；λ为上层建筑或甲板室平均面积折减系数；f为上层建筑或甲板室的剖面总面积，其单位为cm²；F为计算剖面处主船体的剖面总面积，其单位为cm²；i₀为上层建筑或甲板室的自身面积惯性矩，其单位为cm²·m²；i₁为上层建筑或甲板室纵向构件对主船体中和轴的面积惯性矩，其单位为cm²·m²。

6.根据权利要求5所述的考虑强力上层建筑的船体梁总纵强度规范校核方法，其特征在于，上层建筑或甲板室甲板处所述应力折减系数η_S的计算公式为：

上式中，h为参与总纵弯曲的上层建筑或甲板室高度，其单位为m；e₁为仅主船体剖面对应的中和轴至上甲板的距离，其单位为m；e₂为仅上层建筑或甲板室剖面对应的中和轴至主船体上甲板的距离，其单位为m；Δ_λ为上层建筑或甲板室平均面积折减系数λ时整个剖面实际中和轴相对于主船体剖面中和轴的向上偏移量，其单位为m；

当采用有限元结果计算时，上层建筑或甲板室甲板处应力折减系数η_S通过以下公式计算：

上式中，σ_Sη为上层建筑或甲板室最上层甲板处的实际应力，其单位为Mpa，通过全船有限元分析得到。

7.根据权利要求6所述的考虑强力上层建筑的船体梁总纵强度规范校核方法，其特征在于，

主船体主甲板和龙骨处的所述剖面模数的最小剖面模数要求需满足以下公式：

W₀＝CL²B(C_b+0.7)

上层建筑或甲板室最上层甲板处的所述剖面模数的最小剖面模数要求需满足以下公式：

W_λ0＝η_SCL²B(C_b+0.7)

主船体主甲板和龙骨处的所述惯性矩的最小惯性矩要求需满足以下公式：

I₀＝3W₀L

上层建筑或甲板室最上层甲板处的所述惯性矩的最小惯性矩要求需满足以下公式：

I_λ0＝3η_SW₀L

上式中，L为船长，其单位为m；B为上层甲板在说考虑位置处的最大实际宽度，其单位为m；C_b为方形系数；η_S为上层建筑或甲板室甲板处应力折减系数。

8.根据权利要求7所述的考虑强力上层建筑的船体梁总纵强度规范校核方法，其特征在于，所述船体梁弯曲强度许用静水弯矩应满足的条件如下：

上式中，M_W为波浪弯矩，其单位为kN·m；为许用合成弯矩，其单位为KN·m；

许用合成弯矩的计算式子如下，并取其中计算较小者：

上式中，W_λS为上建最上层甲板处计及上建剖面平均面积折减系数λ的剖面模数，其单位为cm³；W_λd为主甲板处计及上建剖面平均面积折减系数λ的剖面模数，其单位为cm³；W_λb为龙骨处计及上建剖面平均面积折减系数λ的剖面模数，其单位为cm³；η_S为计算构件所在上建甲板处的应力折减系数；[σ]为弯曲许用应力，其单位为N/mm²；F_s、F_d和F_b均为局部构件尺寸折减系数；

并且，计算所述许用合成弯矩时应考虑上层建筑参与总纵弯曲的影响，影响体现在以下三点：

第一点，剖面要素应为上述步骤六中考虑上层建筑或甲板室剖面以平均面积折减系数λ计入船体梁横剖面时的剖面要素；

第二点，除了计算主船体底部和主甲板处的许用合成弯矩，还应计算参与总纵强度的最上层建筑或甲板室甲板的许用合成弯矩；

第三点，计算最上层建筑或甲板室甲板的许用合成弯矩时应考虑应力折减。

9.根据权利要求8所述的考虑强力上层建筑的船体梁总纵强度规范校核方法，其特征在于，

所述许用静水剪力的上限值计算公式为：

所述许用静水剪力的下限值计算公式为：

上式中，F_w为波浪剪力，其单位为kN；I_λ为计入上层建筑或甲板室剖面平均面积折减系数λ的横剖面对水平中和轴的惯性矩，其单位为cm³；S_λ为计入上层建筑或甲板室剖面平均面积折减系数λ的横剖面上，水平中和轴以上有效纵向构件对水平中和轴的静矩，其单位为cm³；[τ]为许用剪切应力，其单位为N/mm²；δ为船体梁腹板相当厚度。

10.根据权利要求9所述的考虑强力上层建筑的船体梁总纵强度规范校核方法，其特征在于，校核屈曲强度的工作应力分为校核主船体弯曲正应力和校核上层建筑或甲板室弯曲正应力，其单位为N/mm²，其中，

校核主船体弯曲正应力的计算公式为：

校核上层建筑或甲板室弯曲正应力的计算公式为：

上式中，为许用静水弯矩，其单位为kN·m；M_W为波浪弯矩，其单位为kN·m；I_λ为计入上层建筑或甲板室剖面平均面积折减系数λ的横剖面对水平中和轴的惯性矩，其单位为cm⁴；η_S为计算构件所在上层建筑或甲板室甲板处的应力折减系数；λ为计算构件所在上层建筑或甲板室的平均面积折减系数；Z为计算构件距计入上层建筑或甲板室剖面折减后整个剖面实际中和轴的距离，其单位为cm；σ_λ为主船体计算构件处弯曲正应力，其单位为MPa；σ_λS为上层建筑或甲板室计算构件处弯曲正应力，其单位为Mpa。