英文翻译船舶结构设计概念.docx
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英文翻译船舶结构设计概念
序言
分析(或鉴定)的理论知识和手段在一切人们竭力探求的领域里已得到很好的发展。
但对建设性的、综合的反演概念却理解的很不够。
不想对两者谁更重要做出判断,因为两者对于创造性的设计来说是必不可少并且相互补充的。
事实上,当然也不可能把他们彼此分开。
我们这个有着海军和商业背景的作者小组的目标是在船舶结构设计范围内去更好的理解总过程,特别是综合阶段。
现在,在持续一段时间的评论、研究和应用之后,对于它们的应用,已经根据明确的思路,确立出了一条主体思想。
希望对概念能引起广泛的推敲,能征求到各种评论,见识能得以分享,以及在整个设计企业内部着重相互关系的论述是有指导性的。
正如一切“初等的”系统设计一样,初始的(并且经常是决定性的)综合功能很少得以实现,以致综合本身的独特要求没有广泛地被领会。
但是,综合对理解结构设计的所有环节中包含的原理、进而认识由此带来的价值是很有意义的。
有必要时,(人们)为了不破坏过程的流程图,优先表达仍有争论的问题,或者作出看来是最合理的设计假定。
但是要注意阐述这些问题的分歧点。
由于力求把往往是不相关的知识汇总、统一起来,一些细微、不协调的地方在所难免。
不过(人们)总是作出努力,以最可靠的办法把它们消除。
设计过程中的矛盾意见,除了根据这些意见的技术完善性进行检验外,还要根据它们在可行性、有效性或方便性的相对价值进行检验。
在任何情况下,似乎更有成效的是首先探索设计路线,然后再铺路基。
所作的评论和所持的态度不是最终的见解,而是一种初步的、相互联系的评价方法的主体。
目的是使其在每一情况下澄清:
大部分概括性的估算只用于第一循环,最终,要以不断提高的精度和直接从发展中的设计得到的确实数据来代替。
对于熟悉相关领域知识的人们来说,叙述某些研究成果似乎是多余的。
对于未入门者,获悉在类似方面没有初步的论述,就要提供相关的初步论述。
因此本书中包括所有的基本步骤。
我们为了首先达到一个能实现的近期目标,确定了这个很艰巨任务的范围。
因此本书明确地规定只涉及船中处纵向连续的主要构件和载荷,并明确地删去了诸如剪应力的内容,这对于某些并非绝对必不可少的。
另外,正如前面指出的,我们全部注重于整个设计过程的第一阶段(综合阶段),这时尽可能依靠采用严密的结构力学方法,尽可能用接近于封闭解的形式选择初始尺寸,这样就可以和直接求解的要求以及每一特定阶段必要精度的容许偏差相适应。
尽管压缩了选用的内容范围,但所包含的领域仍然很广泛,为了保持其一个易控制的方案,必须对论述经常作出精简,使得概述内容多于全面深入讲解的内容。
不过,这有助于保持推理的主要路径不混乱,并使得精选的文献能消除某些存在的缺陷。
用非常专业的术语讨论的题材(第十七章),归根结底就是打算把说明、突出重点和程序性的建议付诸检验。
运用也暴露出有疑问的地方,并且直接指向需要研究的项目。
不过,最终的目标常常是更为长远和广泛的,即除了结构本身,人们怎样考虑设计呢?
什么样的概念是有用的?
什么是合格评价的基础呢?
前二十章以设计环境和设计载荷进而从材料的选择到第十七章的船中剖面结构综合的解说性例题,勾画出了一条设计路线。
当求解变成以板架模型为基础而不是以逐个剖面模型为基础时,我们对计算机求解方法作了详细的阐述。
第二十一章至第二十二章中的内容,实际上,最适合于进一步的设计循环,不过有些部分的确是对早先简述的第一循环综合法的详细叙述。
第十四章的内容安排的靠后了些,不过为了充分考德威尔教授关于安全裕度的讨论,我们没有作出章节上的更动。
结尾的几章我们企图把结构设计再次与整条船的设计联系起来,并提供了在船舶使用期内总体系统优化所必需的那种定量的资料。
尽管本书的统一的题目是《船舶结构设计概念》,但是,事实上每一章都保持了它自身的题目。
这样的结果就是内容上有一点重复,甚至会有稍为不同的见解。
有时,也会发现各章之间术语有些不同。
为了避免附加的符号体系过于复杂,我们统一各作者的风格做了一些努力,但是我们认为冒这样的危险是值得的。
遗憾的是本书全都按英语原始资料写成,不过,国际船舶结构会议的几个技术委员会,对他们分工范围内研究工作所作的评论是有很大帮助的,这样就可以保证任何外国重大进展的遗漏保持在最低程度。
但是,我们今后应更深入、更仔细地研究非英语的文献。
对于初始循环以外的设计过程的处理,以及在设计意义上评价各种先进分析方法的工作仍然要做。
例如有限元法没有汇集到设计过程中,因为它的恰当位置是在后一类事件(设计意义上评价各种先进分析方法)之中。
但是,也许更为迫切的是应该研究其它的状态和结构构件,例如除了船中以外的船体梁,在该处,剪切变得更为重要,以及船首、船尾结构,该处侧向横载荷比梁平面内载荷重要,而且属于复杂,并且极为独特的一类载荷。
人们怎样才能最明智地对骨架形式、船体刚度衡准或对特定的动力载荷因子作出初步的选择呢?
正如国际船舶结构会议报告阐明的:
简单横骨架、大型宽肋骨、纵向和横向舱壁、上层建筑和甲板室或船底板架的(结构)综合(设计)方法正在受到重视。
对于许多人应该深表谢意。
我们每一位投稿人都有多方面的原因值得给予极高的感谢。
由W.Hovgaard教授开创,并通过H.E.Rosell教授和HarlanTurner教授保持下来,具有广泛影响的传统至少对我来说是熟悉的。
同时,我也不能忘记我二十五年来有益的磨练的影响,主要是在研究生方面。
以上投稿人中,现在有些人已经成为了作者。
这个计划始于DouglasFaulkner,英国国防部皇家海军建造师R.C.N.C(现为格拉斯哥大学造船系JohnElder教授)的决定。
他和其它所有作者有一段时期曾在麻省理工学院造船与轮机工程系(现为海洋工程系)学习,并且渡过几段有意义的时光,这样就使得他们更加互相了解,加上从事物本质上所拥有的共同观点,从而不断累积起了本书的组成部分。
本书经济上的支持主要来自船舶结构委员会,包括J.B.O´Brien提供的极有帮助和理解的协议。
M.F.Vetter的参与工作是使得目标成为可能的最有利因素之一。
美国海军答应过海军船舶工程中心G.J.Snyder一年时间的援助,以及海军船舶研究与发展中心J.C.Adamchak博士的援助。
A.M.d´Arcangelo教授领导下的船舶与轮机工程协会船体结构委员会的SH-4小组,作为评论小组曾为本书的编写工作做出了很大的贡献。
对于所有上面未提及名字的作者,他们都无比真诚并无私的贡献了自己的力量。
应该十分感谢所有这些个人和团体。
感谢EleanorBaker,他担当了全部的打字工作。
感谢ArthurJ.Giordani绘制了大部分插图。
我希望船舶结构设计的学生们在适当的课程中增加他们所研究的东西。
依我看来,所有的作者大概都想对妻子们对他们深深地理解、耐心和良好的态度表示感谢。
像这种集中的和具体的事情(编写本书),没有下班时间的努力,没有在办公室外的努力,是不可能达到的。
J.HarveyEvans
1973年5月28日
第一章船舶结构设计展望
Ⅰ.结构设计问题
A.足够的强度
B.有效船系统
Ⅱ.极限吃水
Ⅲ.有效船的定义
A.对于特定任务——“装完货后达到最大吃水、且满足所有限定性条件”
B.总系统法
计算机辅助设计
Ⅳ.优化结构设计
Ⅴ.结构性能的度量
Ⅵ.计算应力的意义
A.确定性的解
B.根据过去经验外插
C.缩尺模型
D.足尺试验
E.概率法的解
Ⅶ.综合与分析
Ⅷ.局部和名义应力分量
结构设计问题
排水型的水面船,只是运输企业的一种海上运输工具,它在形状、内部结构布置和在使用上,是高度专业化的航行器。
一些人仅仅把它看作是一种工程装置。
而另外的人看它是一种独特的社会财产,一种政治工具,一种商业工具,甚至作为一种带有诗意的创作。
在这里,我们只讨论它的结构设计,事实上,这是一个范围很狭窄的方面,但是包括了所有以上的成分。
虽然受到船的功能的限制,严峻的环境的限制以及受到来自其管理者且无法预料的反应,但是,结构设计,还是有助于来实现已作出的初步设计决策的,当然,这个决策已经规定好了结构型式以及结构内部的划分。
假定骨架被限定在正交方向上布置,结构设计中的主要变量不但有骨架系统的对偶度,而且有主要构件的方向。
自木船的横骨架以来,是否只用了绝对纯粹的、单一的骨架系统是有疑问的。
两个子系统中每一子系统各自的骨架间距,可能在周长上从一舱变化到邻舱,或者自一板架变化到另一板架。
很多相同或不同的构件或许会一起工作,由于还要考虑很多次要的变量。
对总体优化的船舶设计,在力求得到可靠而有效的船体结构中,显然是有充分的发展空间的。
极限吃水
商船和军舰必须拥有不大于对它们的营运来说已完全足够的强度,这点包括未知的和正常损耗所要求的裕度在内。
它们装载的限制体现在对吃水的限制,应该是诸如干舷、或者丧失船体完整性之后的浮力或稳性储备等其它的考虑,这些更具有限制性的因素。
无论根据什么来确定这些限制,船体强度最好不要比极限吃水所相称的更大。
船体包含多余的重量时,应该存在微小的富裕强度。
军用船对于它们的生命力非常敏感,而且必须预先防止由于超重导致速度的致命损失,以及在可能情况下回转半径的致命损失。
因此,在船舷上正式刻上预定的最大吃水,在商业营运中是强制性的,而且实际上在海军舰船中也是经常被发现的。
在假定所有其它的都不变的情况下,结构强度与极限吃水要求的强度是等同的。
有效船的定义
对于有特定用途的最成功的商船,应该定义为其总收益与总支出之比是最大的船。
在计算中,假定整个寿命周期从船舶交付使用到报废时的期限。
作为第一阶段初步设计,船东在定购一艘新船,至少要规定船预期装载的重量和容积、航速以及航程距离等的时候,应能够在心中用收益成本比对航程统计作仔细的研究。
简而言之,在这个阶段内,造船工程师的课题应是确定船的尺度和形状,使得在建造完成并装完规定的载重量进入海中的时候船到达它的最大吃水,并且同时恰好满足它的所有限定性条件,所有的货舱和储物间等都完全装满,带足刚好达到足以规定速度航行时所需的燃料和消耗品,而且航行和维护保养费用也最少。
如果货舱都不满,就提供了一个过大的舱容,而种种类别的费用也将是过大的,至少暂时是如此。
一般设计最优化要求最小尺寸的船,使得以最低的初始和维护费用,保证它具有足够的最小的强度和最轻船体重量的船。
如果船达不到它的极限吃水,就不必要地提供了适用于更深吃水的多余结构强度以及多余结构重量。
对与这些相互冲突的要求,达到这样一种绝对理想化的境地,很显然是几乎不可能。
但是应该强调,协调这些要求的是极其重要的。
借助于图1.1可明显地看到,相对较小的船体结构重量在减少支出和增加收入中的几个方面都是有利的。
对于某艘给定船而言,虽然在极限吃水时重量的节省不会减少燃料费用,而当船在压载条件下的返航中就会做到这点。
但是在更为根本的水准上衡量,甚至在极限吃水时,重量节省都是会减少燃料费用的,因为没有重量节省整个船将更大。
图1.1
虽然以上的描述对于设计是有启发的,但是必须明确的是这个“装完货后达到最大吃水”的设计模型是不足以描述造船工程师的全部任务。
事实上,如果象“班轮”类型船的运行那样提供同一货物的稳定流量,返航完全可能装不同的货,或者甚至是空载。
不定期船就是既没有典型的货物,也没有平均标准的航程距离。
后一种情况也适用于军用船的设计。
因此每艘船必须设计成能执行一组规定的功能,或者要以最大的适应性来履行活动范围内的特定任务。
任务的多样性和繁重的续航要求,促成了由系列船舶组成的船舶网系的描绘。
在商业背景中提出了同样明确的观点,能否形成集成的运输网有一些原因取决于那些专门化的船型,如各种种类的滚装船、集装箱船、载驳船、散装货船以及利用三段航程、在每一段航程中运输不同的矿石、散装货或油货、矿砂和散货的三用船。
对于整个系统的严格优化,或者单一船东对于规划中船队的严格优化,现在把造船工程师和相关的其它的人,划归在了一个比几年前通常做法更先进的,可选择的梯队之内。
对于在特定情况下规定的运输流量,是少量大而慢的船还是很多小而快的船更可取呢?
或者,更确切地说,无限个中间可能性中哪一个是最好的呢?
不管最后的决定是否局限于排水型的水面船,都可能需要更详细地制订运输工具特征曲线族,以得出重量和费用图的趋势。
此外,设计环境很可能要求这些曲线族很快就可以实际应用。
当设计状态中存在着某种程度的新事物时,连续的总体数学函数,不会是一经提出就能得到的。
因此,只好作出结论:
计算机辅助设计设备很大程度上成了“代理人”。
这种特定方式的指导原则的主体,以及支持在结构设计中早期计算机程序编制的理论阐述,很早就致力于在合理的理论基础上对现有经验的整理以及对超出原有经验所作的外插,并且得到了较好的结果。
优化结构设计
每一部分的结构设计,都必须考虑它直接承受或它作为船的组成部分附加承受的载荷,或者同时承受这两种模式的载荷。
为了使船舶寿命周期内的利润最大,船舶应用最佳配备的最好材料组合来建造,使得它恰好体现是具有足够强度的最小船。
同时要求结构设计是最小重量的、并且是最低初始成本的是不可能的,所以必须在这两者之间作出某种协调。
对于这点来说,船舶结构似乎介于飞机结构与陆上建筑工程结构之间,前者的注意力在节省重量,而后者往往更强调节约成本。
甚至在军用船和民用船之间,利弊的权衡也是不同的。
高营运性能的要求具有强调在某种附加成本上节省重量的作用,最为明显的是在那些快速护卫舰和深潜潜艇等军用船中的要求。
结构性能的度量
很大的程度上,在许多人的心目中“应力”几乎成为了“强度”的同义词。
这是不恰当的。
它势必掩盖了在结构性能中会存在一些方面不足的事实,而其中没有哪一方面应该被忽视。
应力对某些性能是一个适当的衡准,但不是全部。
例如,在板架设计的一章中体现的很明显。
我们最先考虑到材料承受拉伸、压缩或剪切力的物理本质是很自然的。
当然,很早之前也证明了通过应力来求解压缩和剪切失稳现象是很恰当的。
虽然材料由于几何非线性和超出应力应变的比例极限的非线性特性使得问题复杂化了,但是塑性范围和弹性范围一样,也可以包括在概念构架的范围内。
只要强调这些基本关系以及处理它们的技巧的普遍性,这些事实就都是显而易见的。
进一步坚持这种观点,应力的概念在解决疲劳和热残余影响方面也是有用的。
这些评论的目的,是为了至少目前短暂地把注意力转向精确预报简单结构,或者它们的部件在动力载荷下的瞬时或永久变形的能量法的表现能力,这样立即会想到的有砰击、冰冲击、爆炸和碰撞。
在微观的水平上,还可加上脆性断裂的开始。
而能量吸收模型试验,在结构零件竞争设计之间进行甄别已取得效果。
刚度是另一个不应轻视的性能。
我们担心对结构有不利影响的振动,因为它对结构疲劳循环和应力幅值、设备失灵、人员不舒适和不自在,或者其它的方面都有影响。
特别对于船级社来说,还存在对过度挠曲的担心,以至于必须限制船体梁的静力挠曲,才有可能避免烧坏螺旋桨轴主轴承。
或者因为某方面的过度挠曲,或许会形成灾难性的船体损坏。
因此刚度受到了规则的控制,而且有时刚度特性会主宰整个结构设计。
众所周知,虽然热的间断性(除了作为焊接的结果)是不经常发生的,但是它们是令人讨厌的。
鉴于残余焊接应力表现为在塑性区域内、延伸的、高度局部化的应力增量,并且沿连接接头线性分布,在此地提到的是一种由不太激烈的温度差引起的、更普遍分布的瞬态应力状态。
从食物至液化石油产品或液化天然气之类的冷藏货,加热货也同样,会是引起困难的根源。
由于膨胀系数不同引起的问题,在钢质甲板横梁上的铝铺板是另一个恰当的例子。
显然这种分类是不完备的,但是,是有前途的,要点在于强度或结构性能的衡准会有好几种。
当然,可以清楚的感觉到在设计中的哪一个衡准(或许是一族极限应力)是最可能主宰设计,要首先满足的。
当然,路还很长。
计算应力的意义
进一步来说,关于应力这个主题,应该提到计算值的意义。
在最近几年,尽管对于载荷的估计以及在详细的结构分析方面有了较大的进展,但是,总是需要将计算应力与临界客观现实一起进行考察。
只有在相对简单的结构中,在极为理想的情况下制造并对绝对已知的边界条件作最精确地加载,这样才能认为计算应力是真实状况的精确表达。
“许用”或“设汁”应力都是绕过困境的方法,是作过样板的类似结构长期经验的结果。
它们被认为是一个基于过去经验的外插法。
它们最多也就是是现实的不完备的形象。
甚至在最适当的母型情况下,还会存在着已知或未知的缺陷,过分依赖母型船,不但包含了永存缺点的内在危害,而且也包含了由这些极限应力目前所不知不觉地反映的效能。
缩尺模型试验有可以仔细控制载荷和边界条件的优点,所以可以按照显示它们真实意义的方式来排除、固定或独立地处理某些设计状态中的参量。
因缩小了比例降低了费用,这就鼓励采用改进模型作比较试验,以达到尽可能地除去多余构件或更好地配备结构材料的目的。
实际上做模型破坏试验也更有可能。
遗憾的是,缩尺定律是极少完全协同的,无论对建造应力或变形,还是除尺度不同而其它方面都相同的模型的物理性能。
实尺度试验可能看起来不顾费用的负担,至少对关键的子结构是如此,只要能够可靠地再现结构的载荷和边界条件。
但是,对于整个船体结构,缺点是明显而巨大的,因为缺少可派遣到海上去的设备完备的船,以致在遇到一次随机选择海况的机会中,只会得到有限的测量样本。
人们总是回避用船上的设备在极端的海况中进行试验。
因此结论仍然只能是:
与实际值有关,或者与“测量”应力有关的计算应力充满不确定的因素,特别当是它们意图是可能发生的最不利的合理应力值的时候。
把缩尺模型和实尺模型结合起来分析,并与营运经验的统计评论一起(全部用合理的理论知识整理),比起所有不完善部分的简单求和所指出的强度来,有着更大的强度。
海洋海况的选择性描绘,船舶运动的计算机辅助预报和详细的逐点应力分析,损坏现象的解释,完善的焊接应力分布知识等等,这些领域的极大进展都加强了对于上述情况的理解。
并且必须承认,即使从结构分析方法中排除掉所有的不确定因素,在应力预报(或者能量水平,或者是刚度)和损坏预报之间,仍保留着很大的鸿沟。
建造的结构不会与设计者的希望或理想一致。
它将有很多的冗余度。
板格既不会是数学上那样的平整,也不是用完全均匀的材料做成的。
连续构件在接头处会没有对准,接头本身会有缺陷。
营运中的损耗将耗去它的那部分,而平均船舶标准的轮廓尚待问世。
自然,所有的偏离总是变化而不规则的。
在方程的另一端,至今记录到的最不利海况,不能保证在任何时候都不会被超过。
所以必须承认结构损坏肯定不会永远地完全避免,即使为此目的可能牺牲所有别的要求,那么也就在处理中失掉了航海的全部动机。
一个必然的事实在于:
事件的某种极端的组合,迟早将给某人带来灾难。
这并不是意味整个地改变目前原有的,但是有必要改变不明确和未知的安全裕度。
它仅仅表明了以更明确的方式考察问题,为了设计过程对载荷型式、结构作用、材料类型、建造公差、建造和使用过程的环境条件,以及对所有可能的其它因素,作更加区别的对待。
当面临这样的考虑的时候,结果只能是某个可以求得损坏发生概率水平的最小损坏率。
确定和平衡大多数船级社所关切的最小损坏率是个艰巨的任务。
但是,这是可接受危险率的根本。
很难更简单地预先提出考虑设计者的期望在其中会不满足的方法,也很难更简单地从统计上对偏离进行衡量。
这些仍旧是概率方法的最终目标。
但是,在这些方面还没有这样做的情况下,长久以来结构工程师就凭借直觉来进行工作,并把他们的结论表达成“安全因数”、“许用应力”和与它们的同类的词汇。
现在,更新的数学工具(方法和机器)和附加的统计资料,正开始促使提供更为独立而有辨别力的方法。
综合与分析
设计过程的初期综合阶段是一个其要点和已经存在的实物所涉及的要点相反的阶段,如同在刚刚讨论过的情况中所暗示的那样。
这种评论的根源在于:
综合与分析虽然是互补的,但是在根本上是对立的。
进一步来讲,一个必须在另一个能够开始之前就完成。
在特性上,分析方法都是不可逆的。
分析方法越精细,就越不适宜用封闭形式来直接求解结构尺寸和构造。
因而很自然地在初步探索给定结构的最佳性能时,实际上,宁可采用基本而粗糙的表达式去求实际、临界应力以及极限损坏应力。
方程组可以转换以及它们简易可行就是节约时间。
面临大量设计迭代的首次循环大幅度摆动的特征,它们虽缺乏完备的严密性但却是无害的。
它们也不是全部与在结构钢板和型材生产中所遵循的尺寸增量的粗糙性不协调。
“设计”应力的缺点已经提到过,但是它们在名义上,在比较的意义上是极为有用的。
何况在任何完整的设计过程中,它们归根结底只是一种手段。
接着在分析与优化调整之间发生的相互作用中,人们期望有附加而累进的精密设计数据和约束的输入,以及其它与它们有关的设计衡准的分析技巧。
局部和名义分量
为了进行综合和分析,鉴于船舶结构经受着经常变化着的应力-应变状态,把这些结构响应归类为“局部的”或“名义的”是方便的。
在这种应用中,局部应变和响应是那些直接在相对集中的力、载荷或反作用力邻近区得到的应变分量。
对于船体梁的例子就是那些由于锅炉、反应堆或机器装置重量,螺旋桨推力,波浪冲击、砰击,货物装载牵引力,铲车的轮压,坞墩木等等引起的应变分量。
另一方面,名义应变是那些就总体来看由加在结构上的载荷所引起的应变分量。
例如它们可能引起梁的弯曲和剪切。
十分明显,甚至一个简单的集中载荷系,如在图1.2中所示的最基本或理想化情况,实际上同时引起两种类型的应变分量。
在集中力部位任意定义的局部范围之内(并且在图中,很清楚),完全不适宜仅仅用普通的、简单梁的应力分布图来定义应力和应变。
更接近于满意的描述的,是将局部应力叠加在这些名义应力上而得到的。
根据这样一条主线,名义应力仅仅简单的作为第一阶估计值出现,而且在一些的部位它们可能是不可接受地粗糙。
而且,
图1.2
在这样的联系中,应记住对基础、连接、相互作用和形状改变进行细节设计时最主要的原则之一,就是减弱这种应力集中的效应,在数量上减小它们,在空间上扩散它们。
主体结构上的局部加强可能仍然是需要的,就是按照空间上的有限增大来处理。
随后的各章大多数限定在船体的主要(或名义)特性和结构设计的综合阶段上。
即便如此,它们不可能比求解的第一阶段包括更多的内容。
J.HarveyEvans
1971年5月5日
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