2025年船舶工程師結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)試卷（含答案）考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡述船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)滿足的主要性能要求。二、根據(jù)《鋼質(zhì)海船入級規(guī)則》，簡述船體結(jié)構(gòu)構(gòu)件按厚度分組的依據(jù)及其意義。三、什么是船體結(jié)構(gòu)的總縱強(qiáng)度？簡要說明保證船體總縱強(qiáng)度的主要措施。四、解釋船體結(jié)構(gòu)中“中拱”和“中垂”現(xiàn)象，并簡述其可能對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的危害。五、簡述船底板在承受波壓和貨物載荷時(shí)，可能出現(xiàn)的幾種主要破壞形式。六、什么是板格的穩(wěn)定性？影響板格穩(wěn)定性主要因素有哪些？七、簡述船用結(jié)構(gòu)鋼應(yīng)具備的主要性能指標(biāo)及其對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響。八、什么是疲勞損傷？簡述船體結(jié)構(gòu)中疲勞裂紋主要產(chǎn)生的部位。九、簡述船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，為什么要進(jìn)行疲勞強(qiáng)度校核？其與靜強(qiáng)度校核有何主要區(qū)別？十、簡述上層建筑與甲板室結(jié)構(gòu)在形式和受力特點(diǎn)上與船體主甲板結(jié)構(gòu)的主要區(qū)別。十一、計(jì)算題：已知某船長L=120m，型寬B=18m，型深D=12m，船底板厚度t=12mm。假設(shè)該船在靜水力作用下，船中剖面處的總縱彎曲應(yīng)力（中拱應(yīng)力）。已知鋼材的屈服強(qiáng)度σs=355MPa，許用應(yīng)力[σ]=175MPa。試問該船底板在總縱彎曲應(yīng)力作用下是否滿足強(qiáng)度要求？（提示：可按簡單梁模型估算，不考慮初應(yīng)力等因素）十二、計(jì)算題：一塊板格，板厚t=10mm，板格寬度a=1.2m，板格長度b=0.8m，周邊簡支。板格中心受一集中載荷F=100kN作用。假設(shè)板格失穩(wěn)時(shí)的臨界應(yīng)力σcr已由相關(guān)公式或圖表查得為σcr=100MPa。試問該板格在集中載荷作用下是否會發(fā)生屈曲？（提示：可比較實(shí)際應(yīng)力與臨界應(yīng)力）十三、簡述在船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，如何利用高強(qiáng)度鋼來提高船舶性能或減輕結(jié)構(gòu)重量？十四、簡述船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）和計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）的主要應(yīng)用領(lǐng)域。試卷答案一、船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)滿足的主要性能要求包括：足夠的強(qiáng)度（靜強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度）、足夠的剛度、良好的穩(wěn)定性（總縱強(qiáng)度、橫向強(qiáng)度、局部穩(wěn)定性）、足夠的耐久性（抗腐蝕、抗疲勞）、滿足規(guī)范要求、經(jīng)濟(jì)性（重量輕、成本低）以及便于建造和維護(hù)。二、根據(jù)《鋼質(zhì)海船入級規(guī)則》，船體結(jié)構(gòu)構(gòu)件按厚度分組是為了簡化設(shè)計(jì)和檢驗(yàn)要求。通常將厚度相近的構(gòu)件歸為同一組別，不同組別的構(gòu)件在材料要求、連接方式、檢驗(yàn)等級等方面可能有所不同。分組依據(jù)主要是構(gòu)件的厚度，意義在于便于管理和實(shí)施差異化規(guī)范，提高效率并確保結(jié)構(gòu)安全。三、船體結(jié)構(gòu)的總縱強(qiáng)度是指船體結(jié)構(gòu)在承受總縱彎曲（中拱或中垂）時(shí)，抵抗破壞和保證結(jié)構(gòu)連續(xù)性的能力。保證船體總縱強(qiáng)度的主要措施包括：合理選擇船體結(jié)構(gòu)形式（如采用強(qiáng)力甲板、邊艙、縱骨等）、保證足夠的結(jié)構(gòu)連續(xù)性、正確設(shè)置縱向構(gòu)件（如龍骨、中板）和橫向構(gòu)件（如甲板板、舷側(cè)板）的強(qiáng)度和剛度、考慮結(jié)構(gòu)初應(yīng)力的影響等。四、船體結(jié)構(gòu)中“中拱”現(xiàn)象是指船體在總縱彎曲時(shí)，中間部分向上凸起，兩端的底部向下凹進(jìn)的狀態(tài)?！爸写埂爆F(xiàn)象則相反，是船體中間部分向下凹進(jìn)，兩端的底部向上凸起的狀態(tài)。這兩種現(xiàn)象都可能導(dǎo)致船體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生額外的彎曲應(yīng)力，可能使某些構(gòu)件（如底部結(jié)構(gòu)）應(yīng)力過大而損壞，或使結(jié)構(gòu)連接處（如肘板、骨架連接）承受過大剪力而破壞，還可能影響船體排水量和穩(wěn)性。五、船底板在承受波壓和貨物載荷時(shí)，可能出現(xiàn)的幾種主要破壞形式包括：彎曲破壞（板中應(yīng)力超過許用應(yīng)力）、剪切破壞（板格失穩(wěn)或板邊連接處剪力過大）、局部壓屈破壞（板格在局部壓力作用下失穩(wěn)）、疲勞破壞（反復(fù)波壓或貨物載荷作用下產(chǎn)生疲勞裂紋并擴(kuò)展）、沖刷腐蝕破壞（海浪對海底的沖刷作用加速腐蝕）。六、船體結(jié)構(gòu)中板格的穩(wěn)定性是指板格在受到壓應(yīng)力或剪切應(yīng)力時(shí)，抵抗失穩(wěn)（即發(fā)生屈曲）的能力。影響板格穩(wěn)定性主要因素包括：板格自身的幾何尺寸（板長、板寬、板厚）、板格的邊界條件（簡支、固定等）、板格中的支撐條件（縱骨、肋骨的間距和尺寸）、板格所受的載荷大小和類型（均布載荷、集中載荷）、板材的彈性模量、泊松比以及板邊的連接強(qiáng)度等。七、船用結(jié)構(gòu)鋼應(yīng)具備的主要性能指標(biāo)包括：高的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度（保證強(qiáng)度）、良好的塑性和韌性（保證結(jié)構(gòu)在沖擊載荷下的安全性、便于冷熱加工）、優(yōu)良的焊接性能（船體結(jié)構(gòu)大量采用焊接連接）、良好的耐腐蝕性（船體長期處于海水環(huán)境）、以及一定的抗疲勞性能。這些性能指標(biāo)對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響體現(xiàn)在：直接影響結(jié)構(gòu)的安全性、可靠性、壽命、重量、建造成本和維護(hù)便利性。八、疲勞損傷是指材料在循環(huán)載荷作用下，即使在低于其拉伸強(qiáng)度的應(yīng)力水平下，也會隨著時(shí)間的推移逐漸累積損傷，最終導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生并擴(kuò)展，直至結(jié)構(gòu)破壞的現(xiàn)象。船體結(jié)構(gòu)中疲勞裂紋主要產(chǎn)生的部位通常是在應(yīng)力集中處，如：焊縫及其附近區(qū)域、構(gòu)件截面突變處（如T型接頭、十字接頭）、孔洞邊緣、加勁肋連接處、板格邊緣、以及經(jīng)常承受交變載荷的部位（如螺旋槳軸孔周圍、舵桿孔周圍、系泊設(shè)備處等）。九、船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中要進(jìn)行疲勞強(qiáng)度校核是因?yàn)榇w結(jié)構(gòu)在實(shí)際運(yùn)營中經(jīng)常承受交變載荷（如波浪載荷、貨物移動、系泊力等），這些交變載荷會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生循環(huán)應(yīng)力，從而引發(fā)疲勞破壞。疲勞破壞往往突然發(fā)生且破壞前無明顯預(yù)兆，危害性很大。與靜強(qiáng)度校核的主要區(qū)別在于：靜強(qiáng)度校核是針對結(jié)構(gòu)在靜載荷作用下抵抗破壞的能力，關(guān)注的是峰值應(yīng)力是否超過許用應(yīng)力；而疲勞強(qiáng)度校核關(guān)注的是結(jié)構(gòu)在循環(huán)載荷作用下抵抗疲勞損傷累積的能力，需要考慮應(yīng)力循環(huán)特性（平均應(yīng)力、應(yīng)力幅）、循環(huán)次數(shù)以及材料的疲勞極限等因素，通常采用疲勞曲線和疲勞計(jì)算方法進(jìn)行。十、上層建筑與甲板室結(jié)構(gòu)在形式和受力特點(diǎn)上與船體主甲板結(jié)構(gòu)的主要區(qū)別在于：形式上，上層建筑和甲板室通常具有更多的垂直面和復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)（如艙室、平臺），而主甲板結(jié)構(gòu)則相對平整和規(guī)則；受力特點(diǎn)上，主甲板結(jié)構(gòu)主要承受船體總縱彎曲產(chǎn)生的中拱/中垂應(yīng)力和分布載荷，是船體的主要承重結(jié)構(gòu)之一；而上層建筑和甲板室結(jié)構(gòu)主要承受自身的自重、貨物載荷、設(shè)備載荷以及部分甲板載荷，其總縱彎曲效應(yīng)通常較小，更多是作為橫向支撐體系，承受較大的剪切力和彎矩，且穩(wěn)定性（抗側(cè)傾）要求更高。十一、解：假設(shè)船中剖面處為簡單支持梁的跨中最大彎矩位置，彎矩M=(1/4)*q*L^2，其中q為均布載荷，近似取為單位長度排水量產(chǎn)生的載荷，q≈ρ*g*A_b/L，A_b為船底面積，A_b=L*B。則M=(1/4)*ρ*g*A_b*L=(1/4)*ρ*g*L^3。船中剖面處的總縱彎曲應(yīng)力σ=M*y/I，其中y為板中心到中和軸的距離（t/2），I為船底板對中和軸的慣性矩（對于寬度B的板，I=B*t^3/12）。代入M和y，σ=(ρ*g*L^3/4)*(t/2)/(B*t^3/12)=(3*ρ*g*L^3*t)/(2*B*t^3)=(3*ρ*g*L^2)/(2*B*t)。取水的密度ρ≈1025kg/m3，重力加速度g≈9.81m/s2，L=120m，B=18m，t=0.012m。σ=(3*1025*9.81*120^2)/(2*18*0.012)≈(3*1025*9.81*14400)/(0.432)≈(3*1025*141.444)/0.432≈(3*145,050)/0.432≈435,150/0.432≈1,004,166Pa=1004.2kPa。實(shí)際應(yīng)力σ=1004.2kPa=1.004MPa。比較：實(shí)際應(yīng)力σ=1.004MPa，小于許用應(yīng)力[σ]=175MPa。結(jié)論：該船底板在總縱彎曲應(yīng)力作用下滿足強(qiáng)度要求。十二、解：板格失穩(wěn)臨界應(yīng)力σcr=100MPa。板格在集中載荷作用下，板中心處的最大計(jì)算應(yīng)力σcal需要與臨界應(yīng)力比較。假設(shè)集中載荷F作用在板格中心，板格為簡支，最大計(jì)算應(yīng)力通常發(fā)生在板格中心。對于周邊簡支的方板受中心集中載荷，其最大計(jì)算應(yīng)力σcal≈1.8*(F*a)/(b*t^2)。代入F=100kN=100,000N,a=1.2m,b=0.8m,t=0.01m。σcal≈1.8*(100,000*1.2)/(0.8*0.01^2)≈1.8*(120,000)/(0.8*0.0001)≈1.8*120,000/0.00008≈1.8*1,500,000,000≈2,700,000,000Pa=2700MPa。比較：實(shí)際計(jì)算應(yīng)力σcal=2700MPa，遠(yuǎn)大于臨界應(yīng)力σcr=100MPa。結(jié)論：該板格在集中載荷作用下會發(fā)生屈曲。十三、在船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，利用高強(qiáng)度鋼來提高船舶性能或減輕結(jié)構(gòu)重量主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：1.減輕結(jié)構(gòu)重量：高強(qiáng)度鋼具有更高的屈服強(qiáng)度，設(shè)計(jì)時(shí)可選用更薄的板厚或更小的骨架尺寸，從而顯著減輕結(jié)構(gòu)自重。這對于提高船舶的載貨能力、燃油經(jīng)濟(jì)性、航行速度和適航性非常有利。2.提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和安全性：在相同重量下，高強(qiáng)度鋼能提供更高的承載能力；或在相同強(qiáng)度要求下，使用高強(qiáng)度鋼可以進(jìn)一步減輕重量。這有助于提高結(jié)構(gòu)在極限載荷下的安全性，或滿足更嚴(yán)格的規(guī)范要求。3.增加船體尺度或改善性能：減輕的結(jié)構(gòu)重量可以轉(zhuǎn)化為增加的船體尺度（如更長、更寬、更深），或用于安裝更重的設(shè)備，從而提升船舶的整體性能和功能。4.簡化結(jié)構(gòu)形式和降低建造成本：有時(shí)，使用高強(qiáng)度鋼允許采用更簡單的結(jié)構(gòu)形式（如減少加勁肋數(shù)量），可能簡化建造流程，降低一定的建造成本。5.提高抗撞性：某些高強(qiáng)度鋼具有較好的抗撞性能，有助于提高船舶碰撞事故中的生存能力。應(yīng)用領(lǐng)域包括：船體主要骨架（龍骨、肋骨、桁架）、甲板結(jié)構(gòu)、船底板、上層建筑和甲板室結(jié)構(gòu)等關(guān)鍵承力部位。十四、船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）和計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）的主要應(yīng)用領(lǐng)域包括：1.計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）：*結(jié)構(gòu)建模：創(chuàng)建船舶結(jié)構(gòu)的二維和三維數(shù)字模型（線框、表面、實(shí)體模型），包括船體板、骨架、艙室、設(shè)備布置等。*工程圖紙繪制：自動生成或輔助繪制結(jié)構(gòu)施工圖紙，如型線圖、結(jié)構(gòu)圖、骨架布置圖、焊接詳圖等，提高繪圖效率和標(biāo)準(zhǔn)化程度。*明細(xì)表生成：自動統(tǒng)計(jì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件（鋼板、型鋼）的規(guī)格、數(shù)量和材料，生成材料明細(xì)表，方便采購和管理。*設(shè)計(jì)校核：在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行幾何干涉檢查、規(guī)范符合性初步校核等。2.計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）：*結(jié)構(gòu)分析：利用有限元分析（FEA）等數(shù)值方法，對船舶結(jié)構(gòu)在靜載荷、動載荷、環(huán)境載荷等作用下的應(yīng)力、應(yīng)變、位移、變形和振動進(jìn)行精確計(jì)算和預(yù)測。*強(qiáng)度與剛度校核：對結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)的強(qiáng)度和剛度評估，驗(yàn)證其是否滿足設(shè)計(jì)規(guī)范和性能要求。*穩(wěn)定性分析：進(jìn)行總縱強(qiáng)