《船舶结构力学》是船舶与海洋工程学科的两大力学支撑之一,同时又是船舶与海洋工程专业三大技术基础理论体系之一。《船舶结构力学》是船舶与海洋工程本科专业的主干必修课,同时是一门承前启后的专业基础课,它在《理论力学》、《材料力学》、《船体结构》的基础上,讲述船舶结构力学的基本理论、方法,结构强度与稳定性的基本概念及经典方法,主要包括船体结构力学分析方法,如力法、位移法、能量法、有限元法等,船舶构件强度及稳定性分析,如单跨梁、连续梁、刚架、板架、板等。着重阐述船舶结构强度分析的基本理论、方法及思路,旨在使学生掌握船舶结构强度分析的基本知识、技能,培养学生发现问题、分析问题、解决问题的能力,能够灵活运用所学到的基础知识创造性地解决工程实际中的一些简单问题,并要求具有初步的科研能力;了解船舶结构力学的发展及趋势,为后续课程及研究生课程学习打下坚实的基础。本课程主要内容:船舶结构力学简介及最新发展现状;单跨梁的弯曲理论、力法原理及应用、位移法、能量法、矩形板的弯曲理论、杆与板的稳定性。矩阵位移法以及有限元法在后续课程《船舶结构设计方法》中讲授。
自1978年学校升格为镇江船舶学院以来,《船舶结构力学》已作为船舶工程专业的学科基础课,课程经过了徐昌文、谢祚水、俞铭华、吴剑国、王自力、尹群、王林等许多教师多年的共同努力,课程建设已初步取得了一定的成果,在师资队伍建设、教学内容、教学条件、教学手段、网络资源等方面具备了一定的水平,形成了明显的课程特色。
1、团队梯队配备合理、学术水平一流,科研成果应用于教学实践的能力强,共享省级重点学科、重点实验室及品牌专业的优质资源,教学条件及资源优越。
2.构建“两大平台,三个层次,四种能力”的创新型实验教学体系,突出工程实践能力及创新能力的培养,建立特色鲜明的 “船舶计算仿真实验室”。
3. 构建船舶结构力学课程教学内容与教学方法创新、实践教学体系创新、课外教育创新、管理机制创新四位一体全新课程创新教育体系。实现以规模化、系统化、规范化的大学生第二课堂、科学竞赛、课外科研活动为依托,全新的大学生的素质教育及创新人才培养的船舶结构力学课程创新教育体系。
1、掌握结构力学的基本理论,船体结构强度与稳定性的基本概念以及船体结构(杆、杆系、板等)的计算方法。 2、具有对船体结构进行强度校核的能力。 3、具有进行船舶结构设计的能力。
第一章 绪论 (1学时)
(一)教学内容
1.船舶结构力学的内容、任务与研究方法以及船舶结构力学的发展;
2.船体结构力学模型的简化。
(二)基本要求
1.了解船舶结构力学的内容、任务与研究方法以及船舶结构力学的发展;
2.掌握船体结构力学模型的建立。
第二章 单跨梁的弯曲理论 (5学时)
(一)教学内容
1.梁的弯曲微分方程及其解(初参数法);
2.梁的支座及边界条件;
3.梁的弯曲要素计算(解析法、迭加法);
4.剪切对梁弯曲变形的影响;
5.梁的复杂弯曲及弹性基础梁。
(二)基本要求
1.掌握:符号法则,边界条件,初参数法,迭加法画弯矩图,复杂弯曲梁及弹性基础梁的解题思路,辅助函数查表法;
2.了解剪切、轴力、弹性地基对梁弯曲的影响。
第三章 杆件扭转理论 (2学时)
(一)教学内容
1.直杆件自由扭转;
2.薄壁杆件的自由扭转。
(二)基本要求
1.掌握杆件自由扭转;
2.了解薄壁杆件的自由扭转。
第四章 力法 (3学时)
(一)教学内容
1.力法原理;
2.力法的应用-连续梁;
3.力法的应用-弹性支座上连续梁的计算。
(二)基本要求
1.掌握力法原理及三弯矩方程;
2.掌握弹性支座上连续梁的计算、一根交叉构件板架计算;
3.基本掌握弹性固定端和弹性支座的实际概念。
第五章 位移法 (2学时)
(一)教学内容
1.位移法原理;
2.位移法在杆系中的应用。
(二)基本要求
1.掌握位移法原理;
2.掌握位移法在杆系中的应用。
第六章 能量法 (4学时)
(一)教学内容
1.应变能与余能;杆件的应变能计算;
2.虚功原理;
3.虚位移原理的应用;
4.虚力原理的应用。
(二)基本要求
1.掌握位能驻值原理(李兹法)、应力能(卡氏定理)原理、最小功原理;掌握位移法在杆系中的应用;
2.理解能量法其他相关原理;
3.了解应变能原理、单位位移法、余位能驻值原理、单位载荷法。
第七章 矩形板的弯曲理论 (3学时)
(一)教学内容
1.板的筒形弯曲;
2.刚性板的弯曲微分方程式;刚性板弯曲的解;
3.刚性板的能量解法。
(二)基本要求
1.理解矩形板的筒形弯曲,板条梁的概念;
2.了解单三角基数、双三角基数求解刚性板的弯曲问题;查表法求解板的弯曲问题;
3.掌握板的分类及刚性板、柔性板的计算(外加中面力柔性板、大挠度柔性板);
4.基本掌握板的能量解法。
第八章 杆与板的稳定性 (4学时)
(一)教学内容
1.压杆稳定性;
2.甲板板架的稳定性;
3.板的中性平衡微分方程式及其解;
4.板稳定性的能量法。
(二)基本要求
1.掌握单跨压杆的稳定性;多跨压杆的稳定性;简单甲板板架的稳定性;
2.理解掌握板的中性平衡微分方程及其解;板的稳定性能量解法;
3.了解板的后屈曲性能。
《船舶结构力学》为船舶与海洋工程专业必修课程,主要针对船舶与海洋工程专业全日制本科生在第六学期(大三下学期)开设,需要完成《高等数学》、《理论力学》、《材料力学》、《船体结构》、《船体制图》等基础课和专业基础的学习,具有一定的数学和力学基础,了解船体结构并能够看懂船体结构图纸。
1、《船舶结构力学学习指导书》,自编讲义,2013
2、《船舶结构力学》,吴梵 朱锡等,国防工业出版社,2010
3、《Design of ship hull structure》
4、《Fundamentals of Structural Mechanics》,keith D. Hjelmatad
5、《杆及杆系的弯曲和稳定性》,陈铁云,陈伯真,北京科学教育编辑室,1961
6、《薄壁结构力学》,陈伯真,上海交通大学出版社,1998
7、《船舶结构力学手册》,徐秉汉译, 国防工业出版社, 2002
8、《弹性力学》,徐芝纶,人民教育出版社, 1979
第一章 绪论
[重点]:船体结构力学模型;船舶结构力学的内容、任务与研究方法;船舶结构设计最新发展。
[难点]:船体结构力学模型建立 “方法”“构件”“问题”
[解决办法]:由网络Google收索船舶与海洋工程结构物失事工程实例出发介绍船舶结构设计的重要性,介绍船舶结构力学最新研究现状(国际船舶结构力学大会ISSC)及现代船舶结构分析方法,引出船舶结构传统分析方法,介绍船舶结构力学主要内容及方法、任务等,引起学生学习兴趣。结合实际工程船舶结构及本课题组研究的科研项目介绍力学模型的简化(如刚架——分析13000DWT散货船在水压作用下的横向强度问题时可简化为刚架),加强学生实际工程理念,并通过课程大作业加强力学模型掌握。
船舶结构力学主要内容及理论体系的主线可归为“方法”“构件”“问题”三方面,方法——船舶结构力学所介绍的初参数法、力法、位移法、能量法、有限元法、矩阵法(后两种方法在《船舶结构设计方法》课程中讲解),构件——船体主要结构的力学模型包括杆(单跨梁、连续梁)、杆系(板架、刚架)、板(矩形平板),问题——船舶结构强度主要两方面屈服强度、屈曲强度。船舶结构力学主要围绕“方法”“构件”“问题”主线,通过学习要主要归纳总结各种方法可以求解哪类构件的哪类问题、不同构件的不同问题可以由哪种方法求解,以基本方法作为“纲”,各章节具体内容作为“目”,并在整个课程教学中引导、强调主线,使同学对船舶结构力学在整体上有个较清楚的认识,具体内容体现在各章的教学、实践、作业等教学环节中,使同学掌握“由纲到目”的学习方法。
第二章 单跨梁的弯曲理论
[重点]:符号法则、边界条件;初参数法求梁的弯曲要素;迭加法求梁的弯曲要素、画弯矩图;辅助函数查表法。
[难点]:梁的边界条件;梁的弯矩图、剪力图画法
[解决办法]:本章内容主要介绍单跨梁的弯曲理论,梁的边界条件以及弯曲要素的求解,通过梁单元受力分析,建立力的平衡方程,利用高等数学的知识求解得到弯曲要素,使同学理解、掌握梁弯曲微分方程式的推导过程,通过练习精讲掌握初参数法、弯矩图、边界条件等重点内容。
第三章 杆件扭转理论
[重点]:杆件自由扭转 薄壁杆件自由扭转
[解决办法]:本章主要介绍杆件扭转的基本概念,掌握杆件自由扭转的基本概念及理论,通过工程实际构件(道具)的扭转变形分析给同学直观的印象,再结合集装箱船、大开口的驳船等工程实例加深学生对知识的理解。
第四章 力法
[重点]:力法原理、三弯矩方程 五弯矩方程 一根交叉构件板架计算 相邻构件影响的柔性系数
[难点]:五弯矩方程 相邻构件影响的柔性系数计算 弯矩图、剪力图画法
[解决办法]:本章主要介绍求解静不定结构的分析方法之一——力法,对于本章的重点难点应从以下方面入手:(1)、教师对本章内容体系要非常清楚,从力法原理、三弯矩方程、五弯矩方程到力法在船舶结构中的应用等都要娴熟,并能在讲授时前后呼应,进行比较对比。如三弯矩方程与五弯矩方程的对比、力法求解板架与求解刚架的对比等,通过对比即使得同学加深了不同知识点,又对各知识点之间的关系及区别有更深的认识。(2)、将复杂问题简单化,将知识点进行总结,提炼出知识点的精髓部分,达到举一反三的效果。如力法原理提炼成力法的“三要素”——基本结构、未知数、方程,力法求解结构从分析三要素入手,这即概括了力法的基本原理,又是同学掌握了力法求解问题的一般思路。(3)、对于典型习题多练精讲,通过习题加深对知识点的理解与掌握。
第五章 位移法
[重点]:位移法原理 位移法在杆系结构中的应用 画弯矩、剪力图
[难点]:位移法在杆系结构中的应用 画弯矩、剪力图
[解决办法]:本章主要介绍求解静不定结构的分析方法——位移法,解决该章重点难点的切入点是通过与前面力法的对比,包括基本原理(基本结构、未知数、方程)、应用求解杆系、弯矩图、剪力图画法等方面。通过对比使同学总结力法、位移法的区别与联系,掌握力法、位移法求解各构件的优势及特点,精通掌握力法及位移法在求解弯曲问题的应用。
第六章 能量法
[重点]:应变能的计算 位能驻值原理(李兹法)的应用(弯曲问题、稳定性问题)
应力能原理(卡氏定理、卡氏第二定理) 最小余能原理(最小功原理)
[难点]:卡氏第二定理及最小功原理求解静不定结构某点位移 李兹法求解弯曲稳定性问题的应用
[解决办法]:本章主要讲授各种能量原理,该部分内容以材料力学中的能量原理为基础,系统介绍虚位移原理、虚力原理,该章内容概念性较强,首先以虚力、虚位移原理为两条主线准确详细地讲解各种能量原理的推导、定义以及相互之间的联系,结合材料力学的基础使同学对能量原理有了系统理解;在此基础上重点介绍位能驻值原理、应力能原理、最小功原理,通过练习加深基本原理的理解与掌握;引导学生对各种能量原理之间的关系进行总结,绘制反映能量原理之间关系的网络图;本章通过对能量法知识的讲解、习题练习讲解讨论、知识点总结归纳等环节
第七章 矩形板的弯曲
[重点]:矩形板的筒形弯曲 刚性板、柔性板的分类及计算 单三角基数、双三角基数求解刚性板的弯曲问题 板的能量解法
[难点]:刚性板、柔性板的计算 单三角基数、双三角基数求解板的弯曲问题
[解决办法]:1、以工程实例为切入点,使问题具体化、形象化:以项目《基于BV规范FPSO结构强度直接设计及优化》部分研究结果为例介绍船体板结构尺寸特点、板与骨架之间的关系、船体板在水压载荷作用下的变形特点等,引出矩形板的筒形弯曲以及筒形板处理方式-板条梁模型。
2.抓住问题的关键将复杂问题转化已学简单问题处理:为与单跨梁对比分析板条梁的参数等,根据是否存在中面力(外加、静不定)将筒形弯曲问题分为3类,并于单跨梁的弯曲相对应,将板的弯曲问题转化为已学简单问题进行分析。掌握了以上思路及思想对理解掌握刚性板、柔性板的分类与计算起到指导作用。
3.分析简化结构力学分析思路及方法:以一维单跨梁的弯曲为例,推广到2维平面板的弯曲问题,重点介绍对于不同边界的矩形板三角基数求解的分析思路,使同学们掌握问题分析的主线,避免被大段复杂的数学公式所困。
4、结合筒形板的弯曲测试实验,使同学深入理解掌握筒形板的弯曲理论。
第八章 杆与板的稳定性
[重点]:单跨压杆的解析法 多跨压杆的稳定性(解析法、能量法) 板架的稳定性、临界刚度 非弹性稳定性问题 板的稳定性
[难点]:临界应力的计算(解析法、能量法) 力法求解稳定性问题、能量法求解稳定性问题板的稳定性求解 非弹性稳定性
[解决办法]:前面章节主要分析船体构件的弯曲问题,本章主要分析船体构件的稳定性问题,该章所涉及到的构件以及应用的分析方法在前面章节已经介绍,针对本章的知识特点主要采取以下办法使同学掌握重点难点问题:
1.以工程为例(本课题组承担的船体梁极限强度方面的课题)介绍船体结构稳定性,并结合最新船级社规范(中国船级社、共同规范CSR等)对稳定性的要求,使同学们了解船体构件稳定性分析的必要性及重要性,引起学生的学习兴趣,并布置课后作业——网络收集船舶因稳定性失事的资料。
2.以绪论所提的“方法”“构件”“问题”为主线,分析弯曲问题与稳定性问题分析的不同,着重介绍各种方法在分析稳定性问题的思路,并于与弯曲问题的求解思路进行对比分析,加深理解与掌握。