船舶与海洋平台结构讲义

1.船体结构：由板材和骨材等构件组成的船体结构的总称。
2.研究船体结构的目的：使船体在外力作用下，保证船体具有足够的强度和刚性，要求达到最小的结构重量，降低建造成本和提高其使用的经济性。
3.船舶分类
⑴船舶按用途分类：民用船舶、军用船舶
其中民用船舶可分为：
①运输船：客船、客货船、杂货船、散货船、集装箱船、油船液化气船、滚装船、化学品船、
冷藏船、渡船等；
②工程船: 挖泥船、起重船、救捞船、打桩船、浮船坞、钻井船、海洋开发船、钻井平台等；
③渔业船：网渔船、钓鱼船、渔业加工船、捕鲸船等；
④港务船：拖船、引航船、消防船、交通船、供应船等；
⑤海洋调查船：海洋调查船、深潜器等；
⑥其它：农用船、供电船、游艇、环境保护船等； 
军用船舶可分为：
战斗舰艇 ：水面战斗舰艇：航空母舰、巡洋舰、驱逐舰、护卫舰、鱼雷艇、导弹艇、登陆舰、布雷艇等；                       
           水下战斗舰艇：攻击型潜艇、弹道导弹潜艇等；
辅助舰艇 ：供应舰、补给舰、训练舰、侦查舰等；  
⑵按造船材料分类：木船、水泥船、钢船、铝合金船、玻璃钢船、橡皮船等；
⑶按航行状态分类：排水型船、潜艇、滑行艇、水翼艇和气垫船。
⑷按航行区域分类：海船（沿海、近海、极地）、内河船。
⑸按推进动力分类：风帆船、蒸汽机船、内燃机船、燃气轮机船和核动力船。
⑹按推进器分类：明轮船、螺旋桨船、喷水推进器船、空气螺旋桨推进船、风帆助航船；
           
4.散货船（指专门运输各种谷物、矿砂、煤炭等大宗散装货物的干货船）
特点 ： 1. 散货船是专门用来运送煤炭、矿砂、谷物、化 肥和水泥等散装货物的船舶；
            2. 单甲板、双层底，货舱口大，装卸速度快；
            3. 内底边板上倾与舷侧下部构成底边舱，舱顶设顶边舱，可以限制货物在航行时向两边移动，提高船舶的稳性。
  散货船有：超大型20万t以上，主要运矿砂；13万t～17万t的好望角型；6.4万t～7.3万t的巴拿马型; 4万t～4.8万t的灵便型; 2.7万t～3.4万t的大湖型。航速一般在12kn～16kn。
5.集装箱船（装载规格统一的标准货箱的货船）
把不同品种和规格的货物，先装进标准集装箱，再装船运输，可以提高装运效率，改善劳动条件，减少货损，实现门对门运输，提高经济效益。
特点：货舱内和甲板上堆装规格统一的标准货箱，货舱口宽而长，多数依靠港口专用集装码头的起货架机装卸，少数也有自带起货架装置。航速在20kn左右，最高可达30kn。   
集装箱船的设计中，最常用的是ICC标准箱，即20ft×8.0ft×8.5ft（长×宽×高，6058mm×2438mm×2951mm）20ft标准箱（TEU）  一般1只40ft标准箱（FEU）可换2只20ft标准箱，即1FEU＝2TEU。（1kn=1.852km/h）
6.油船（专门运输石油类液货的船舶）
油船也有原油船和成品油船之分。
特点：油船是装运石油产品的液体货船，从几百吨至几十万吨； 油船防火、防爆要求特别高，所以油船上的消防设备比较完善；油船的外壳为浅色，夏季设有降温用的淋水设备，冬季防油冻变稠，备有蒸汽暖油装置；油船为尾机型船、干舷小，甲板上方设有步桥；油船没有大的货舱口，只有圆形油气膨胀舱口，并装有油密性好的舱口盖。
7、    液化气船（用来运载液化气体的船舶）
气体液化的方式通常有两种：一种是加压，一种是冷冻。液化石油气-----LPG 液化天然气-----LNG
8、    客船
以人作为运载对象，要求结构强度高、快速性、舒适性，居住空间与环境好。必要的消防、救生、通信等安全设备。良好的消防等光照明、卫生、娱乐设施。
     《国际海上人命安全公约》中规定：凡载客超过12人以上的船舶，无论是否以载客为主，均应视同客船。
客货船的特点
根据航区不同，客船可分为：远洋客船、近海客船、沿海客船和内河客船。
     对客船的要求是安全可靠，具有良好的适航性和居住、生活设备。因此，客船的甲板层数多，围壁多；甲板层数多达7～8层，一般长江客船也有5层甲板。甲板两旁及房舱间设有走廊。
    客船上有2个或2个以上的推进器，航速较高。
    内河客船上一般还设有舷伸甲板。
               
9.梁 ：受外载荷作用发生弯曲的构件。
10.船体梁 ：将船体所简化的一种变截面薄壁空心梁。
11.船体的总纵弯曲：作用在船体上的重力、浮力、波浪水动力和惯性力等而引起的船体绕水平横轴的弯曲称为总纵弯曲。
总纵弯曲由静水总纵弯曲和波浪总纵弯曲叠加而成
静水总纵弯曲产生原因：
在波浪状况下，船体内产生的弯矩会较静水中大。一般认为波浪长度等于船长时，船体的弯曲最为严重。当波峰在船中时，会使船体中部向上弯曲，称为中拱弯曲。当波谷在船中时，会使船体中部向下弯曲，称为中垂弯曲。中拱弯曲时，船体的甲板受拉伸，底部受压缩。中垂弯曲时，船体的甲板受压缩，底部受拉伸。
二、总强度和局部强度概念
1、总纵强度：船体梁抵抗纵向弯曲的能力。（船舶在下水、进坞和航行过程中都会产生总纵弯曲。）
船体上最大的总纵弯曲正应力通常出现在上甲板和船底部。
2、横向强度：横向构件（如肋骨框架和横舱壁等）抵抗横向载荷的能力。
3、局部强度：个别构件对局部载荷的抵抗能力。
第三节 船体结构型式
一、船体结构的骨架型式：
         1、纵骨架式：板格的长边沿船长方向，短边沿船宽方向，纵向骨材的间距小而横向桁材的间距大。 优点：①纵向强度好；②板架的稳定性好；③船体重量较横骨架式轻。缺点：①施工比较麻烦；②船舱利用率低
     2、横骨架式：板格的长边沿船宽方向，短边沿船长方向，横向骨材的间距小而纵向桁材的间距大。优点：①横向强度好；②施工比较方便，建造成本低；③船舱的利用率较纵骨架式高；缺点：①纵向强度差；②结构重量大。
        3、混合骨架式：纵横方向的骨材间距相差不多，板格的形状接近正方形。一般用在特殊场合。
二、典型横剖面结构
    
第二章 外板和甲板
第一节 外板
一、外板的构成及作用
 1、外板的定义
    外板构成船体底部、舭部和舷侧的外壳，
它是由许多块钢板焊接而成的。由于沿肋骨围长的曲率变化大，板长沿船长布置。
板缝：端接缝 和 边接缝
2、外板的作用
①保证船体水密；
②参与船体总纵强度；
③传递各种横向载荷；
④保证船体的局部强度和刚性。
3、外板承受的力 （总纵弯曲、横向载荷、动力载荷、偶然性载荷）
①总纵弯曲：船底板是船梁的下翼板，舷侧外板是船梁的腹板，承受总纵弯曲应力；
②横向载荷：外板直接承受舷外水压力、舱内液体压力；
③动力载荷：船首部的波浪冲击力，尾部承受螺旋桨工作时的水动压力；在冰区航行的船舶，外板还受到冰块的撞击和挤压力；
④偶然性载荷：碰撞、搁浅等意外载荷。
二、 外板的厚度
由于每块钢板的位置不同，所以受力不同。为了在保证强度的情况下减轻结构重量，外板厚度沿船长和肋骨围长变化而变化。
    1、外板厚度沿船长方向的变化 ：中间厚，两端薄。考虑局部载荷，平板龙骨厚度不变。               
2、外板板厚沿肋骨围长的变化
      平板龙骨和舷顶列板受力大，故较其它板厚一些。
3、局部加强
     ①首端锚孔区域；
     ②尾端螺旋桨区域；
     ③外板开口；
     ④船的特殊用途部分（如：航行于冰区的船）。
三、 外板的布置
船体外板通常在肋骨型线图和外板展开图上布置。
1、外板的边接缝
      ①板的边接缝与纵向构件的角焊缝应避免重合或形成过小的交角；
      ②外板的排列必须充分利用钢板的规格；
      ③外板的排列应力求整齐美观。
2、外板的端接缝
     ①外板的端接缝比边接缝的焊接质量要求高；
     ②充分利用钢板长度；
     ③各列板的端接缝应尽可能布置在同一横剖面内，一般布置在1/4或3/4肋距处；
     ④外板各列钢板的长度一般在中段取得长些，首尾取得短些。
第二节 甲板板
一、概念
1甲板与平台甲板的区别：甲板纵向连续，平台甲板局部      间断。
2甲板板：组成甲板的板列，由许多钢板并和焊接而成，钢板的长边沿船长方向布置。
3甲板边板：沿甲板外缘即与舷侧相邻的一列甲板板。
4舷弧：上甲板边线沿纵向向首尾端升高的曲线。
5梁拱：上甲板横向的拱形
6甲板板承受的外力：总纵弯曲、横向载荷等
★7甲板的作用：
①分隔船体内部空间，便于装载货物、安装机器、设备和人员居住；
②甲板板作为船梁的上翼板，和甲板上的构件一起参加船体的总纵弯曲，保证船体的总纵强度；
③作为船体的上盖板，与船体外板一起组成水密箱形体，使船舶能正常漂浮在水面。
二、甲板板的厚度
       1纵向：中部厚，向首尾端则逐渐减薄。
       2横向：甲板边板最厚，主要原因：承受总纵弯曲应力和易受腐蚀。
三、甲板板的布置
四、舷边连接（舷边角钢铆接 圆弧舷板连接 舷边直接焊接）
  1.舷边角钢铆接:
   优点: a.因为舷边位于高应力区,铆钉连接具有重新分布应力的优点,故能减少产生结构损坏的危险;
        b.铆接有止裂作用,一旦甲板板发生裂缝,可防止裂缝向舷侧板继续扩展.
  缺点: 铆接的工作量大,劳动强度大,不上适合现代工艺要求,现已被焊接取代.
  2.圆弧舷板连接:   要求圆弧半径不小于板厚的15倍。
  优点: a.甲板和舷侧的应力顺利过渡；
       b.弯曲的圆弧板比平板的刚性大舷边不易变形。
  缺点a.减少了甲板的有效面积；
       b.甲板上的水直接流向舷侧，弄脏舷侧外板；
       c.圆弧板加工困难。
 3.舷边直接焊接:
  优点:工艺简单,施工方便,免除了落后的铆接以及圆弧板的加工困难及其对材料性能      的影响。
    缺点：易产生应力，因此对材料和焊接质量的要求较高。目前广泛应用，是今后发  展的方向。
五、甲板开口处的加强及甲板间断处的结构
  1、甲板开口处的加强
     ①人孔开孔: 一般把人孔做成圆孔或长轴沿船长方向布置的椭圆孔；
     ②矩形大开口:  长边沿船长方向布置，角隅应做成圆形、椭圆形或抛物线形。圆形角隅的半径不得小于开口宽的1/20~1/10，同时在开口角隅处的甲板板要用加厚板或复板给与加强。椭圆形或抛物线形开口角隅处的甲板板不必加强。
2、甲板间断处的结构
第三章 船底结构
   总述：船底可以分为：单底和双层底按骨架形式可以分为：纵骨架式和横骨架式
单底结构：只有一层船底板，结构简单，施工方便，大多用于小型舰艇及民用船的首尾端。
双层底结构：除了船底板外，还有一层内底板。海船全船采用双层底，小型舰艇和内河船舶仅在机舱等区域采用双层底结构。
作用在船底上的力：1、总纵弯曲造成的压缩或拉伸；2、局部横向载荷；3、偶然载荷。
第一节 单底结构
一、横骨架式单底结构
        横骨架式单底结构由肋板和内龙骨组成，肋板承受船底的局部载荷,并由它传递给舷侧。内龙骨作为肋板的支点支持肋板,同时也将一部分载荷传递给横舱壁。
   1、中内龙骨在横舱壁处间断后的连接方式：
①在靠近舱壁的那个肋距内，将中内龙骨的腹板高度加大至原来的1.5倍来代替肘板；
②中内龙骨维持原来的高度，另外设置垂直肘板，肘板高度和宽度均等于中内龙骨的高度。
③中内龙骨的面板在一个肋距内逐渐放宽成水平肘板，水平肘板在舱壁处的宽度至少为原来面板宽度的2倍。
单层底船的肋板设在每一个肋位上，在中线面间断，并与中内龙骨焊接。横向从一舷延伸至另一舷。
肋板与肋骨下端用舭肘板连接，舭肘板能加强节点连接的强度。为了便于装配，舭肘板与肋骨的连接方式常采用搭接，搭接长度为1.5-2倍肋骨高度。
二、纵骨架式单底结构
        由中内龙骨、旁内龙骨、肋板和数量较多的船底纵骨组成。
第二节 横骨架式双层底结构
1、横骨架式双层底结构由底纵桁和各种形式的肋板组成。
           中底桁：中线面处的底纵桁
底纵桁
旁底桁：中线面两侧的底纵桁
中底桁布置要求：
       1）为了便于施工和检修，其高度不小于700mm；
       2）中底桁应尽量向首尾柱延伸，除首尾区域可间断外，其他区域应连续；
       3）在船中部0.75L区域内必须保持水密，不允许开人孔或减轻孔。
旁底桁布置要求：
       旁底桁间断于主肋板，在它的四个角上开有焊缝切口，上下缘开有内底横骨和船底肋骨穿过的切口。支柱及横舱壁扶强材肘板的下方不能开人孔或减轻孔，旁底桁的其它部位都可以开人孔。长圆形人孔的长轴一般是垂直布置的，开孔不小于320X450mm。
       设置要求：船宽大于10m的船舶，中底桁两侧至少各设1道旁底桁；船宽大于18m时，至少各设2道旁底桁；桁材间距一般不大于4m.
横骨架式双层底结构的肋板有三种形式：主肋板、水密肋板、框架肋板。
  1、 主肋板：是开有人孔、流水孔、透气孔和通焊孔的非水密肋板。为了保证主肋板的刚性，在两个人孔之间用垂向加强筋加强。
          主肋板有两种布置形式：一种是在每个肋位上都设主肋板；另一种是每隔2~4个肋距设置主肋板，其余肋位设置框架肋板或水密肋板。（主肋板间距不大于3.2m）
2、水密肋板：没有任何开孔而且在规定压力下不透水的肋板，用来分隔不同用途的双层底舱。
          由于可能在单面受到水压力，垂向加强筋应设置的密一些，其间距不大于900mm。水密肋板的板厚也较主肋板厚1~2mm。
3、框架肋板：是由内底横骨、船底肋骨和肘板等组成的框架结构。