应力，而且可能实质上参与船体桁的强度。
甲板，舷侧壳板，内底板，底板及舱壁，相互联系来彼此提供边缘约束。例 如，一块横舱壁最终是由舷侧壳板、甲板板及底板来支撑的。同时，舱壁为甲板 板、舷侧甲板及底板的大型加强材提供边缘约束，其中底板跨在像舱壁这样的大 型横向结构构件之间。这种联系使得在被加强板交叉的地方产生了复杂应力型式。 立柱是用来支撑甲板桁或横向甲板。这些立柱支撑，在承受着货物、设备等 的局部载荷的同时，承担着防止由于船体桁纵向弯曲引起的甲板和底板向彼此靠 近的作用。
一般情况下，一个结构构件支撑另一个结构构件的概念简单描述了实际结构 间的联系。在船舶或其他任何结构中，所有的构件都可能共同作用来提供适当的 支撑，来承受它们的设计载荷。这种通常情况下非常复杂的结构间的联系，能够 在电脑结构软件的帮助下通过三维数学有限元综合建模来分析的方法下很好地 被模拟出来。
12.3 基于工程计算来设计
由于船级社规范没有具体含盖所有的设计方面，而且为了鼓励创新设计，大 多数船级社经过特殊的考虑将复审任何由合力计算支撑的设计。这样的设计可能 违背了现存的船级社规范，但是如果所支撑得工程分析证明其结构合理，那么也 会被接受的。例如，依照 ABS 船级社规范（美国船舶局，一年一次），若?它们 能够通过…依据合理工程原理系统地分析，来满足规范中的总体安全性和强度标 准?，那么将考虑别的布置及装饰。这种情况下的设计程序结合了基于前人设计 经验的直觉和旨在确定符合要求的结构响应的结构分析。
当今，存在很多用于合理工程分析的电脑软件。这些软件的数量和性能不断 提升。这些典型的性能，含盖了各种分析类型，如小排水量，大排水量，粘性增 加，缓慢蠕动，温度效应，温度材料，自由频率，规范船型，瞬时响应及结构不 稳定性。
船舶工业遇到的工程难题的复杂性已经导致大量地使用且不断扩大使用计 算机。除了要遇到传统的静力和动力设计难题外，不可预测到的海水性质且有时 是货物载荷，使得在评估海工结构响应的过程中遇到的难题复杂化。必须得考虑 海水中与波和船舶的动态接触有关的特殊现象。例如，弹跳是一种由波频与船舶 的可伸缩性能一起作用诱导的完全船体震动。其他相关的区域是局部振动，可能 是由波或螺旋桨与驱动轴的运动引起的。其他的载荷状况，包括那些由热效应， 货罐内液体晃荡，底部抨击，及海水中的冰引起的载荷。
数学方法，如矩阵法，有限元法及统计法，都已经存在很长一段时间了。数 字电子计算机的问世，使得能在一种有效解决大量工程方法中，完全使用和贯彻 这些技术。这些工程方法与船舶及其他海工结构的设计、建造及分析有关。 与先前已经可能的条件相比，即使某种程度上特殊载荷状况不确定，计算机 仍能更加严密地确定特殊载荷的结构响应。实际上，使用计算机能够减少简化全 部难题的某一细节中假设的必要，因此提高了最终解决方案的精确度，即使仍必 须承认存在一定程度的与所输入载荷的不确定性有关的不确定方面。 12.4 使用计算方法进行优化设计
合理的船舶结构设计迫使设计师们，确定尽可能多的影响结构生命周期中的 安全性和结构性能的因素，并且使用这些信息来确定能优化性能和提供足够安全 性的特殊设计。这种程序涉及到很多计算，但是使用计算机能够简化任务量，提 供一种自动化的合理优化设计。
船舶结构优化是一项复杂的任务，涉及到确定多载荷响应的结构分析和应用 优化技术来重新确定单独结构构件的尺寸从而达到一种优化设计。已经使用不同 的优化技术，其技术结合了不同的船舶设计的结构分析方法。
结构优化确定了设计中的可变因素，该因素将最小化（或最大化）一种具体 的目标函数，但满足了一个约束条件。很典型的是，目标函数是重量或结构造价， 而且约束是应力，排水量或其他响应特性。
图 12.1 和 12.2 展示了一个油船的强肋骨优化设计的例子。强肋骨划分为很 多等板厚的区域， 12.1 中以不同的编号板显示出来了。图划分的尺寸是随意的， 而且这得取决于钢板的尺寸和可用性，便利性，便于建造，等等。 结合双重迭代法、基于全应力设计的最优性原则被用来最小化强肋骨重量， 双重迭代法的开发使得能够在优化软件中有效使用有限元分析。在优化程序中， 附在强肋骨上的壳板，甲板及底板不允许厚度发生变化，这是由于它们的厚度是 由纵向强度要求和其他考虑决定的。
主要的结论是，能够最小化强肋骨重量，重量的减少量取决于最小允许板厚， 而不是强肋骨的许用应力。使用三种不同的厚度要求，而且图 12.2 中展示了适 当的重量减少量。
课外阅读 优化程序通用且适用于任意强肋骨或相似的结构。可能扩展该程序来连接加
强材的数目，以阻止最小板厚网格的剪切性屈曲和震动。 课外阅读
船级社规范
虽然直接的工程设计可能是可选的，但是商船结构构件的设计极大地受船级 社规范影响；实际上，大多数商船构件的主要尺寸直接依据那些规范定的。船级 社的创建是服务于船舶工业，通过建立一定标准来提供保障，保障一艘船符合目 标服务的结构和机械和适度。船级社在 1930 年载重线公约条款的规定下被政府 认可，并且时常被敦促去承认?……为了保障尽可能地应用统一的干舷所依据的 强度标准。?
自从 1930 年以来，签署了载重线公约，在船舶设计和建造、造船技术及船 舶运营方面已经发生很大变化。新的关闭装置类型，特别是金属舱口盖，已经改 善了船舶水密完整性。其他技术型发展（大量使用焊接，修圆的舷边，等等）也 已经普及了。船舶尺寸的极大增长，特别是油船和散货船，已经使得有必要扩大 现存的干舷表来含盖长达 366 米（1200 英尺）的船。所有这些考虑，结合使用 1930 年载重线公约获得的经验，值得经过完全的检查，为了采用一个新的载重 线公约。
因此，另一个关于载重线的国际性会议与 1966 年召开，为了起草一项新的 公约，使得载重线规范能够符合船舶建造方面的最新发展及技术的要求。现在， 通过这次会议制定的规范强制执行。由于船级社不仅被认为是强度标准的来源， 而且被当地政府及很多其他国家政府委派为载重线指定机构，所以载重线公约的 应用是主要讨论的项目，以达到其条款要求下的目标一致方法。但是，理所当然 应该讨论大家关心的其他项目，而且第二次世界大战以后，随着船舶和船舶工业 变得愈加国际化，期望船级社要求的一定程度统一变得很明显了。
船级社间合作范围的快速增大， 1959 年国际政府间海事质询组织及（IMCO） 的创立，使得船级社加入为一个团体来与 IMCO 建立联系。这个团体称为国际船
级社联合会，而且于 1968 年成立。截止至 1979 年年中，该团体有九位成员和三 个附属会员。它的职责分为两类：发展统一的船级社规范，称为联合要求，及与 别的组织合作。
船级社要求的统一是一项长期的任务。到目前为止，所有成员已经采纳了超 过一百个统一要求，在统一的船体钢标准到油船泵房的最大蒸汽温度中变化。由 不同的工作组或通信组制定的统一要求传递给 IACS 委员会征求通过。紧接着， 由于每个船级社的主管部门仍希望保留它们自己的规范，所以在这些统一要求编 入规范中之前，它们应该遵从每个船级社的一般规则制定程序。
大多数商船都是按美国船级社（ABS）或劳埃德船级社（LR）规范分级的。 这些规则都列在了 ABS 和劳埃德规范中，而且后面章节中大多数的具体规则要求 都源自这两个船级社。其他的船级社有类似的规范，且有时候几种规范都是用于 同一艘船。
船级社规范包含了大量的有关船舶不同构件的设计和建造的有用信息，因此 的决定一些船材尺度法则，如船体构架尺寸，桁材尺寸，板尺寸，等等，直接在 发布的公式和表格中给出了。近年来，由于船级社逐渐趋向于用剖面特性而不是 所需要的构件实际尺寸来呈现它们的要求，所以直接从表格中选择结构构件的可 能性已经减少了。在许多不同结构构件的例子中，船级社通过使用简述和描述良 好做法的案例来为设计师介绍建造方法。
近年来，使用了高强钢或在那些使用了保护性的防腐涂料来减小需求腐蚀余 量的地方，已经允许修改厚度标准了。这样的例子中，由于拼板尺寸标准规范依 据全厚度板标准，所以必须仔细考虑板的不稳定性。对于油船，矿山船，散货船， 液化气船等等，已经进行了其他的修改及采用了特殊要求。在商船结构设计中， 第十三课 结构与型线的关系 研究使用这些规范是必要的。 13.1 型线的本质
型线描绘了船形。起初船舶设计的早期阶段，它们以非常小的比例来画。 为了建造船舶，这些小比例的型线必须以足够大的比例来重画，以精确的定义船 形，以便能够结构切割及成形，系统定位及设计，等等。传统上来说，这种更大 的比例即全尺寸，型线在放样板上进行铺设，且使用全比例样板来指导切割和成 形操作。现在仍旧使用这种系统，但是在很多大型的船厂中全尺寸放样已经被其 他的系统替代了，这将稍后描述。 13.2 型线要求
但是，制作型线来定义无厚度的几何表面，而非实际壳板、甲板和舱壁板、 构架、纵向构件等等。对于这些组装在一起的结构，必须清楚地定义用型线表示 的表面及适当的结构厚度余量。为了这样做，当放样工及船体装配工们着手去将 船舶结构的详细工作图纸装换为实际结构构件时，他们必须非常的了解结构与型 线的关系。型线表现着壳板、甲板及底板，与支撑结构之间的关系；因此，一条 线定义了壳板、甲板及底板的内侧线的同时，也定义了支撑结构的外侧线。这方 面传统关系已经改善了，其中这方面指的是工业平等标准。图 13.1 及 13.2 用图 表示了一些实例。
船体及内部结构的型线的空间排列是用它们与水平参考面的垂直距离及用
翻译人员：
它们与垂直参考面的水平距离来描述的，其中一个位于船体纵向中心线上，另一 个横着处在船中，水平参考面反映在图纸上就是基线。水平参考面一般与平底壳 板的型线重合。 13.3 型线
a.壳板。焊接壳板的内表面通常是平贴的，并且处在型线上。这种布置消除 了折曲横跨在板厚变化处焊缝上壳板构架的必要性。 b.双层底。内底板的下侧通常平贴，并且处在型线上。
垂直平板龙骨处在船体中心线上，其厚度被中心线平分。纵向舷侧构件及倾 斜边板通常用板内侧型尺度表示。
c.甲板板。甲板板的下侧通常被定为显示在甲板上的不同厚度甲板的型线。 甲板边板的厚度大于余量的地方，会导致甲板边板内缘突出，能够在舯横剖面上 看出这似乎妨碍了排水系统，但是实际上甲板舷弧和梁拱是令人讨厌的情况。 若使用特殊厚度的甲板板，那么通常对甲板板的型线做特殊定义，以适应情 况。例如，军船上可能在两端使用 6mm（0.25 英寸）厚板来与船舯大量的板相接， 有时型线在整个甲板板的上部下面突出 6mm，忽略板厚。类似地，若使用一层薄 的甲板覆盖层，如舵瓦，在甲板厚度变化非常大的地方下面使用很薄一层覆盖物， 那么就把底部厚度参差不齐的甲板的顶部磨光。这些与船厂惯例想脱离的地方通 常定义在结构图上了。
d.舱壁板。通常船体前半部分横向舱壁板的后表面在肋骨型线上，船体后半 部分横向舱壁板的前表面在肋骨型线上。通常纵向舱壁板内表面在型线上。 若一舱壁板厚参差不齐，而且加强材位于型线的侧面，那么将此舱壁位于加 强材的一侧磨光以避免卷曲或给加强材开槽，而且薄板可以从型线中移除。 e.构架和梁。通常壳板构架及甲板梁的末端指向船舯，其脚部处在型线上， 如图 13.2。这就有助于使用焊接和检查船首和船尾壳板形状复杂地方的舷侧构 架。使用角钢或球扁钢来纵向布置舷侧壳板的地方，角钢或球扁钢底部向下且根 部处在型线上；若使用球座，那么板格的底侧就处在型线上。使用角钢或球扁钢 来纵向布置甲板的地方，角钢或球扁钢底部朝外且根部处在型线上；若使用球座， 那么板格内侧处在型线上。
绘图员，放样工及船舶装配工之间必须存在良好的协调，这取决于对结构构 件与型线的关系的重要性有一个很清楚的理解。这种关系必须标准化，为了避免 组装难题及结构不连续。 13.4 结构调整及连续性
船级社规范和结构分析方法为确定船体结构不同部件的尺寸和厚度提供了 方法。若适当地使用这些方法，那么设计师可能就很确定他已经提供了足够的强 度。然而，同等重要的是结构的调整及连续性。
若构件上的载荷直接作用于支撑结构上，那么就需结构调整。通常，结构调 整针对同一平面上的两个相连的构件。它们可能通过彼此直接的对接焊接来相连， 或者通过每个构件与垂直于这些构件的平面上的一连续构件的反面进行肋间填 角焊接。这是很基础的，但是若很多船的其他设计要求已经被指定比结构调整更 重要，那么这些船就已经承受了严重的问题。问题是双重的，即设计时的调整和 建造时的调整。
在设计阶段，某种程度上必须将垂向载荷的支撑调整为底部支撑。因此，若 不垂向调整足够的船体结构，那么一设计用来阻止甲板室损坏的舱壁的作用是不 明显的。类似地，必须尽一切可能将立柱放在另一个的下面。若立柱线必须踩着，
那么必须提供特殊加强梁或其他方式来传递载荷。
调整的第二个方面是保证在船舶建造阶段实际达到设计师们想要的结构位 置。并非所有的装配工都知道，错调了一侧有梁凸缘的舱壁另一侧的一个木垫， 使舱壁板受到那些本来由调整仪来承受的载荷的作用。在一些区域，设计师不能 控制这些特殊的建造难题。但是，这些难题能够克服，通过避免需要在板的反面 进行结构调整的设计细节，装配工没有简便的将板放在后部结构上的方法，只有 目测或简单的直接测量来精确定位支撑构件。
设计师直接控制的调整必须早在制定计划中就得提供。相比于设计一套布置 方案并接着尽力去找到它们中结构的一致位置来说，使用给定的舱壁、立柱和能 提供必要支撑的梁位置的构架来制定布置方案，是更加方便的。早期结构设计人 员和布置设计人员间的紧密协作对于平衡设计来说是必要的。若一个工作组与另 一个工作组的工作的进展没有相互咨询，那么不可避免得到令人不满意的结果。 13.5 问题的概述
若结构能够传递载荷而不发生应力突变，那么就说结构是连续的。无需证明， 调整较差的结构不连续。但是，良好调整的结构不能保证就连续。尺寸为
150-10mm 的扁钢可以用 50-10mm 扁钢来调整，但是除非底部构件弄成 50mm 的锥 顶，否则连续性将缺失。通常，设计师将补偿舱壁中的削减来保留连续性，但是 设计师保证这舱壁是由远离中间甲板的那侧的结构支撑的，提供了调整（及，有 希望地，连续性）。调整和连续性间的区别不重要，但是对于良好的设计和建造 来说，提供调整和连续性是必要的。 14.1 强度
船体结构在几个方面上比大多数其他人造结构复杂得多。在满足任务及有效 载荷（及商船的吨位丈量规范）要求下的总布置的同时，外部船体和内部槽罐必 须是能够承受在波浪中遇到的预期载荷作用的水密结构外壳。外部船体也必须遵 守良好的水动力设计原则，这涉及到通常比陆运结构更加复杂的几何体。 在预期载荷范围内，遇到了最大的难题。这些载荷是货物重量、主机、结构 及海水浮力的静力和动力载荷，及风、浪、冰和热效应的环境载荷。环境动力载 荷，特别是汹涛海面上的波浪载荷，本质上是不确定的，而且只能用统计方法来 描述。这些源于船体与海水的相对运动的内外载荷，要求船体结构能承受抨击载 荷和甲板掩湿载荷，螺旋桨和主机的波浪感生震动，反复弯曲疲劳，及很多其他 与海船有关的现象。
目前，通过对统计描述及海况效应的扩展研究，结合电子计算机的强有力的 分析能力，极大地增强了结构设计方法。随着研究与电脑的配合，做出了努力来 回答有关用结构优化设计来满足强度和价格要求的复杂问题。
对于船舶结构设计的介绍，船舶强度通过传统方法来获得，使用已经用了很 久且仍旧是结构设计基础的方法。最新的强度研究应用随后将作为所描述过的基 本方法的扩展。
一艘在海浪中的船可以近似认为是一根有支撑力和分布载荷的梁。支撑力是 波浪的浮力，而且分布载荷是那些船舶结构的重量及如原油、淡水和货物这样的 载荷。当一艘船驶进或远离波长近似等于船长的海浪时，那么就会发生最糟糕的
第十四课 船体强度
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