船舶結構力學

第1章 緒論
1.1 船舶結構力學的研究內容和學科體系
1.2 船舶結構力學的建立和在中國的傳播與發展
1.2.1 船舶結構力學的建立
1.2.2 船舶結構力學在中國的傳播與發展
第2章 船舶結構力學計算模型的建立
2.1 船舶結構力學計算模型建立的一般原則
2.2 船舶結構力學基本計算模型
2.3 船舶結構力學基本計算模型的建立
2.3.1 結構計算模型的邊界支承條件
2.3.2 骨架梁計算模型
2.3.3 船舶結構的剛架計算模型
2.3.4 船舶結構板架計算模型
2.4 艦艇船體骨架梁帶板計算
習題
第3章 梁的彎曲
3.1 直梁及微曲梁彎曲理論
3.1.1 坐標系與符號規定
3.1.2 梁彎曲的基本假設
3.1.3 梁彎曲的基本微分方程式
3.2 單跨梁的彎曲
3.2.1 初參數法及邊界條件
3.2.2 疊加原理與梁的彎曲要素表
3.2.3 剪力對梁彎曲撓度的影響
3.3 連續梁
3.3.1 概述
3.3.2 力法的基本概念
3.3.3 自由支持在剛性支座上連續梁的計算
3.3.4 自由支持在獨立彈性支座上的連續梁的計算
3.3.5 階梯形變截面梁的計算
3.4 彈性基礎梁
3.4.1 概述
3.4.2 彈性基礎梁的彎曲微分方程式的解
3.4.3 彈性基礎梁的計算
3.5 梁的復雜彎曲
3.5.1 概述
3.5.2 梁復雜彎曲的微分方程式
3.5.3 微分方程式的解及邊界條件
3.5.4 梁復雜彎曲的計算
3.6 能量法的基本原理
3.6.1 梁的應變能計算
3.6.2 虛功原理和勢能駐值原理
3.6.3 瑞利一里茲法
習題
第4章 平面剛架的計算
4.1 剛架的一般概念
4.2 不可移節點簡單剛架的計算
4.3 不可移節點復雜剛架的計算
4.4 可移節點剛架的計算
習題
第5章 平面板架的計算
5.1 概述
5.2 簡單板架計算
5.2.1 力法求解簡單板架
5.2.2 位移法求解簡單板架
5.3 多根主向梁、一根交叉構件的板架的計算
5.4 多根主向梁、數根交叉構件的板架的計算
習題
第6章 彈性力學基礎
6.1 彈性力學的基本概念和基本假設
6.1.1 基本假設
6.1.2 基本概念
6.2 彈性力學的基本方程
6.2.1 平衡微分方程
6.2.2 應力邊界條件
6.2.3 幾何方程
6.2.4.應變協調方程
6.2.5 物理方程
6.3 彈性力學問題的基本解法及一般原理
6.3.1 位移法解彈性力學問題
6.3.2 應力法解彈性力學問題
6.3.3 彈性力學的一般原理
6.4 彈性力學平面問題
6.4.1 平面應力問題與平面應變問題
6.4.2 平面應力問題的基本方程
6.4.3 平面應變問題的基本方程
6.4.4 應力函數解法
6.4.5 例題
習題
第7章 薄板的彎曲
7.1 概述
7.1.1 基本概念
7.1.2 基本假設
7.1.3 基本方程
7.2 長矩形薄板的柱面彎曲
7.3 薄板小撓度彎曲
7.4 矩形薄板小撓度彎曲問題的解
7.4.1 四邊自由支持矩形薄板的納維葉解
7.4.2 一對邊自由支持矩形薄板的列維解法
7.4.3 應用疊加原理的解法
7.5 薄板小撓度彎曲問題的能量解法（里茲法）
*7.6 薄板的大撓度彎曲
7.6.1 概述
7.6.2 矩形板大撓度彎曲的基本方程
習題
第8章 圓柱形薄殼的彎曲
8.1 概述
8.2 閉合的圓柱殼的彎曲微分方程及其通解
8.2.1 基本概念和假設
8.2.2 受力分析
8.2.3 殼帶的彎曲微分方程
8.2.4 微分方程的解
8.3 在均勻外壓下環肋圓柱殼彎曲問題的解
8.3.1 邊界條件
8.3.2 應力和位移計算
習題
第9章 艦船結構的穩定性
9.1 概述
9.2 軸向壓桿的穩定性計算
9.2.1 中性平衡法
9.2.2 能量法
9.2.3 非彈性穩定性
9.3 連續壓桿的穩定性計算
9.3.1 在剛性支座上連續壓桿的穩定性
9.3.2 在中間彈性支座上連續壓桿的穩定性
9.3.3 彈性基礎上單跨壓桿的穩定性
9.4 甲板板架的穩定性計算
9.4.1 只有一根縱桁的甲板板架
9.4.2 具有兩根或兩根以上交叉構件的甲板板架
9.5 矩形薄板的穩定性計算
9.5.1 板屈曲的特點
9.5.2 中性平衡法求板的彈性屈曲載荷
9.5.3 能量法求解板的彈性屈曲載荷
9.6 板的後屈曲強度
9.6.1 單向均勻受壓簡支板的後屈曲強度
9.6.2 板的極限載荷與有效寬度
9.7 圓環在均勻外壓作用下的穩定性計算
習題
第10章 艦艇結構中的有限元法
10.1 桿系矩陣法
10.1.1 基本概念
10.1.2 桿元剛度矩陣
10.1.3 結構剛度方程
10.1.4 結構剛度方程的求解
10.2 平面應力問題有限元法
10.2.1 基本概念
10.2.2 常應變三角形平面單元
10.2.3 結構剛度矩陣
10.2.4 外載荷的處理
10.2.5 算例
10.2.6 矩形單元的分析與應用
*10.3 板彎曲問題的有限元法
10.3.1 矩形板單元的位移函數
10.3.2 單元應變與內力
10.3.3 單元剛度矩陣
10.3.4 載荷處理
10.4 結構分析有限元軟件在船舶設計領域的應用
10.4.1 CAE技術的發展歷程與結構分析有限元軟件現狀
10.4.2 應用實例
習題
第11章 桿件的扭轉
11.1 等截面直桿的聖維南扭轉
11.1.1 基本關系
11.1.2 應力函數
11.1.3 扭矩及扭矩常數
11.1.4 橢圓形截面直桿的扭轉
11.1.5 狹長矩形截面直桿的自由扭轉
11.2 開口薄壁桿件的自由扭轉
11.3 閉口薄壁桿件的自由扭轉
11.3.1 單閉室截面
11.3.2 多閉室截面
11.4 開口薄壁桿件的約束扭轉
11.4.1 基本概念
11.4.2 約束扭轉的扭角微分方程式
習題
附錄
附錄A 單跨梁的彎曲要素表
附錄B 彈性基礎梁的彎曲要素表及輔助函數
附錄C 單跨梁復雜彎曲的彎曲要素表及輔助函數
附錄D 船用球扁鋼截面要素
附錄E 矩形平板的彎曲要素
附錄F 在中間彈性支座上連續壓桿的穩定性曲線
參考文獻

1909年H．r．布勃諾夫在彼得堡工學院開設“船舶結構力學”課程，1912年、1914年．H．r．布勃諾夫的兩卷本《船舶結構力學》相繼出版，這標志著一門新學科——“船舶結構力學”誕生。從此，“船舶結構力學”成為俄羅斯高葶學校船舶工程專業一門主要的專業理論課，至今已百年。

“船舶結構力學”傳人我國也是從高等學校船舶工程專業開設“船舶結構力學”課程開始的。1951年大連海軍學校（海軍工程大學前身）組建造船工程系，這是國內第一個以軍艦設計制造為專業的造船工程系。他們參考蘇聯相應學校造船系的教育計劃，設置“船舶結構力學”課程，組建“船舶結構力學”教研室，聘請蘇聯專家來校指導開設這門新課。這是“船舶結構力學”在我國傳播的開始。此後，軍事工程學院、上海交通大學等校造船系也相繼開設這門課。

作為我國高校使用的“船舶結構力學”教材．20世紀50年代初，使用的是蘇聯專家針對我國高校學制（四年制）編寫的講義；50年代後期，我國高校工科改為五年制，上海交通大學率先采用蘇聯的“船舶結構力學”教科書，翻譯出版後，被國內高校廣泛采用，1966年開始“文化大革命”，高校停課，“船舶結構力學”課停開；1977年高校恢復本科生教育，“船舶結構力學”重新開課。為滿足教學需要，“全國造船專業教材委員會”組織國內高校協作編寫了一套造船專業課教材，其中有1980年出版的《船舶結構力學》，被各高校造船專業廣泛采用作為教科書至今。該書以“力法”、“位移法”、“能量法”、“矩陣法”、“平面問題的有限元法”、“板彎曲的有限元法”等結構力學各種計算方法作為主要內容和編寫‘主線，依次展開論述，佔書的主要篇幅。從多年來教學中使用該書的情況看，由于該書以計算方法為主要內容，使學習者認為︰結構力學的基本理論就是“力法”、“位移法”等各種計算方法。《船舶結構力學>教科書給學生造成這樣的認識是不是該課程所期望的？這是值得商榷的。這里有兩個問題需要思考。

“什麼是結構力學？～結構力學”也稱為“結構理論”，是分析、研究結構物的力學特性的學科。結構物的力學特性是︰結構物在外力作用下，發生變形，產生應力，形成內力、內力矩以抵抗外力。這是結構物固有的特性，因此，人們也稱它為“結構特性”（Structural Behavior）。人們學習結構力學的目的，是認識、掌握結構物的力學特性，在此基礎上，能利用、發揮結構物的力學特性，創造性地構思、設計出滿足使用要求的、合理的、力學特性優越的結構物。例如潛艇耐壓艇體采用環肋圓柱殼，正是充分利用、發揮這種軸對稱結構抵抗靜水外壓的優越的力學特性。

“計算方法在‘結構力學’中處于什麼地位？”人們認識、掌握結構物的力學特性，是通過分析、計算結構物在外力作用下產生的變形和應力；力法、位移法、能量法等經典的計算方法和近代發展起來的矩陣法、有限元法等，都是用來分析、計算結構物在外力作用下的變形和應力的方法，是“結構力學”教科書的重要內容。但是“結構力學”的目的是分析、研究結構物的力學特性，而“力法”、“位移法”等各種計算方法是用來分析、研究結構物的力學特性的手段。要把結構力學的目的和達到這一目的的手段區別開來。如果一本《結構力學》教科書把“力法”、“位移法”等各種計算方法作為主要內容和編寫主線，以學生學習、掌握這些計算方法能對結構物進行計算為目的，這樣的安排似不妥。

H．r．布勃諾夫在其《船舶結構力學》專著的前言中寫道，“船舶結構力學”是“展示結構力學中與計算船體結構相關的那個分支。”這樣，作為“結構力學”的一個分支的“船舶結構力學”，是分析、研究船舶結構系統的力學特性的學科，船舶結構系統是一個龐大、復雜的系統，為研究方便．“船舶結構力學”分為兩部分︰�基本理論︰分析、研究船舶結構系統的構件/部件的力學特性，包括粱、平面剛架、平面板架、薄板、圓柱形薄殼等各種結構形式的彎曲和穩定性；�專門問題︰分析研究船舶結構系統蹩體的力學特性，包括水面船舶結構力學、潛艇結構力學等。有學者把基本理論部分稱為船舶結構力學、把專門問題部分稱為船體強度。

海軍工程大學吳梵、朱錫、梅志遠等同志，從事“船舶結構力學”教學多年，深感現在使用的《船舶結構力學》教科書出版已30年，有重新編寫一本新教科書的必要。因此，他們合作編著一本《船舶結構力學》（基本理論）教科書，以惠學子。他們基于海軍工程大學開展“船舶結構力學”教學幾十年的經驗和他們自己多年的教學實踐，以及基于對“船舶結構力學”的認識，把《船舶結構力學》教科書的編寫定位為︰以船舶結構系統采用的各種基本結構形式為討論對象，以分析、研究各種基本結構形式的力學特性為主要內容，按照不同的結構形式，由簡到繁，按單跨粱、連續粱、彈性基礎粱、平面剛架、平面板架、薄板、圓柱形薄殼等依次展開論述；在論述各種不同的結構形式時，介紹適合于分析這種結構形式的計算方法（如力法、位移法）．使計算方法和分析、研究不同結構形式的力學特性結合起來；在介紹計算方法時，著重介紹計算方法的基本原理，然後通過例題和適當的作業題，幫助學生掌握計算方法及其應用。鑒于“有限元方法”已成為廣泛應用的解船舶結構力學問題的有效的數值方法，編者專列一章，並簡單介紹一些當前廣泛應用的有限元通用程序。

在這樣的理念指引下，吳梵等同志投入大量時間和精力編著本書，反復修改，數易其稿，力求提高書的質量。本人閱讀了他們編著的書稿，有些地方還和作者展開過討論，本人贊賞吳梵等同志編寫本書的理念、內容的選擇、安排以及編寫方法。本人認為這本書是對《船舶結構力學》教科書的改革，是一次有益的嘗試。它將引導學生深入學習、認識、掌握船舶結構各種基本結構形式的力學特性，並深入理解、掌握主要的結構計算方法；引導學生在此基礎上，能充分利用、發揮不同結構形式的力學特性，創造性地構思、設計出滿足使用要求的、合理的、力學特性優越的船舶結構。期盼這本《船舶結構力學》教科書將培養出船舶結構設計、建造領域眾多的創新型人才。

郭日修
2010年5月于海軍工程大學