一种船舶重量纵向分布载荷强度计算方法与流程

本发明涉及船舶重量计算技术领域，具体涉及一种船舶重量纵向分布载荷强度计算方法。

背景技术：

重量曲线是描述船舶重量沿船长分布状况的曲线，其纵坐标表示作用于单位长度上的重量分布载荷强度，是船舶防纵倾设计的重要设计指标。绘制重量曲线的方法是将船舶的各项设备或物品的重量分布在相应的船长范围内。首先，将全船沿船长度划分为20个理论站距，将各项重量按静力等效原则分布在相应的理论站距范围内，再逐项迭加得到各站距内的重量纵向分布载荷强度，以便绘制船舶重量曲线分布图。其中，静力等效原则为：对各项重量按近似和理想化的分布规律处理时，必须遵循静力等效原则，即：(1)保持重量大小不变，即等效后各理论站距的重量之和应等于该设备的实际重量；(2)保持重量重心的纵坐标不变，即等效后重心纵坐标与该设备的重心纵坐标相等；最终，应使重量分布曲线所围面积等于全船的重量，该面积的形心纵坐标与重心的纵坐标相同。

在计算单个设备或物品的重量纵向分布载荷强度时，一般将重量沿设备或物品所处标准理论站距进行等效分布载荷计算。当设备或物品在船艏/船艉有一定的延伸部分时，若突出部分(延伸到船艏/船艉的部分)的长度未超过理论站距一半，且突出部分的重量占空船重量的比例小于1％时，一般将该突出部分忽略不计；若突出部分的长度超过理论站距一半之多时，则将设备或物品的重量按长度进行分段处理，计算突出部分的重量，再将位于船艏/船艉的突出部分的重量等效转移到与船艏/船艉相邻的两个理论站距内。

随着船舶设计质量的不断提高，对重量分布载荷强度的计算精度提出了更高的要求。针对设备或物品突出部分重量的传统处理方法，会在一定程度上导致部分重量缺失或等效分段重量失真等情况，无法满足高精度的设计需求。此外，在设计过程中船舶设备数量或位置经常发生变化，导致原有的船舶重量纵向分布载荷强度和重心发生变化，无法满足变更后使用要求，需要重新进行分布载荷强度计算，这一过程往往会耗费大量的人力和物力。因此，有必要实现重量纵向分布载荷强度计算的精确化、流程化和规范化，提高船舶重量曲线设计效率。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种船舶重量纵向分布载荷强度计算方法，能够避免设备在船艏/船艉的部分重量缺失或失真，使重量分布载荷强的更加准确。

本发明的船舶重量纵向分布载荷强度计算方法，包括如下步骤：

步骤1，将船体划分为20个标准理论站距；然后将船艏和船艉分别作为一个完整的标准理论站距，共得到22个标准理论站距；

步骤2，根据静力等效原则，将船上各设备或物品的重量等效分布在该设备或物品所处的理论站距范围内的各标准理论站距上；

步骤3，将分布在船艏/船艉标准理论站距内的重量折算至与船艏/船艉相邻的两个标准理论站距内；

步骤4，逐项迭加船体的20个标准理论站距中各标准理论站距内的等效重量，得到船舶重量纵向分布载荷强度。

进一步的，所述步骤1中，沿结构水线、设计水线或船长对船体进行标准理论站距的划分。

进一步的，所述步骤2中，根据设备或物品的起始纵坐标、终止纵坐标、重心纵坐标，以及各标准理论站距的起始纵坐标、终止纵坐标，确定该设备或物品所处的理论站距范围；其中，当设备或物品的重心纵坐标处于船艏/船艉标准理论站距时，认为该设备或物品的理论站距范围为船艏/船艉标准理论站距。

进一步的，所述步骤2具体包括如下子步骤：

步骤2.1，根据船的设计水线长、肋骨间距、船肿肋位号计算22个标准理论站距的几何中心纵坐标、起始纵坐标和终止纵坐标；

步骤2.2，根据设备的起始肋位号和终止肋位号计算设备的起始纵坐标和终止纵坐标；

步骤2.3，根据设备的起始纵坐标、终止纵坐标、重心纵坐标，以及各理论站距的起始纵坐标、终止纵坐标，确定该设备所处的理论站距范围，以及理论站距范围内标准理论站距的个数；其中，当设备重心纵坐标处于船艏/船艉标准理论站距，认为该设备所处的标准理论站距为船艏/船艉标准理论站距，所处的标准理论站距个数为1；当设备起始肋位号和终止肋位号相同时，认为该设备所处的标准理论站距为其重心纵坐标所在的标准理论站距，所处的标准理论站距个数为1；

步骤2.4，当设备所处的理论站距范围内的标准理论站距的个数大于或等于2时，将该设备的重量按照静力等效原则等效至该设备所处的各标准理论站距上，该设备在其所处的各标准理论站距上的重量分布的计算步骤如下：

第(1)步：将该设备所处的标准理论站距个数n对分，n≥2，等效成两个等效理论站距，利用公式(5)计算两个等效理论站距的等效重量分布p1和p2：

其中，p表示设备重量，α表示该设备重量中心纵坐标与该设备所处的理论站距范围的几何中心之间的距离；δl为等效理论站距的长度：

δl＝0.5×n×l/s(6)

第(2)步：按照第(1)步的方式，将等效后的两个等效理论站距分别进行再次对分，计算再次对分后的等效理论站距的等效重量分布，重复第(2)步，直至对分后得到的等效理论站距的长度为标准理论站距的长度，即可得到该设备在其所在的各标准理论站距内的等效重量分布；其中，每次对分时，若待对分的标准理论站距的个数n能被2整除，则对分后的等效理论站距个数为n/2，反之，则对分后的等效理论站距个数为n/2+0.5。

进一步的，所述步骤2.1中，以船肿肋位号的一半为坐标原点，船艏方向为正方向，采用下式计算22个理论站距的几何中心纵坐标、起始纵坐标和终止纵坐标：

其中，i表示第i个理论站距的编号，cpti为第i个理论站距的几何中心纵坐标，spti为第i个理论站距的起始纵坐标，epti为第i个理论站距的终止纵坐标；l为设计水线长、s为肋骨间距、fr为船肿肋位号。

进一步的，所述步骤3中，根据式(7)将船艏/船艉标准理论站距内的等效重力p折算至相邻两个标准理论站距内：

其中，p1、p2分别为折算到与船艏/船艉标准理论站距相邻的两个标准理论站距内的重量，δl'表示标准理论站距的长度；折算船艏标准理论站距内的重量时，α′表示船艏标准理论站距内的等效重力p的作用点与船艏标准理论站距终止纵坐标之间的距离；折算船艉标准理论站距内的重量时，α′表示船艉标准理论站距内的等效重力p的作用点与船艉标准理论站距起始纵坐标之间的距离。

进一步的，α'＝0.5δl'。

有益效果：

本发明将船艏和船艉分别作为完整的标准理论站距，从而在将船艏和船艉设备重量折算至相邻标准理论站距时，避免了船艏/船艉设备重量传统处理方法导致的重量缺失或等效分段重量失真等情况，使重量分布载荷强的更加准确。

本发明沿沿设计水线方向划分理论站距，能更真实地反映出船舶的重量分布，确保重量分布合理，保障船舶运行过程中稳性安全。

附图说明

图1为20/22个理论站距的船舶重量分布曲线图；

图2为船舶重量纵向分布载荷强度计算流程图；

图3为在两个理论站距内的重量分布载荷图；

图4为在三个理论站距内的重量分布载荷图；

图5为船艏折算到相邻两个理论站距的重量分布载荷图；

图6为某设备跨理论站距图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种船舶重量纵向分布载荷强度计算方法，将船艏和船艉也分别作为一个完整的标准理论站距，将传统方法的20个标准理论站距扩充为22个标准理论站距，然后根据静力等效原则将船上各设备或物品的重量等效分布在该设备或物品所在的理论站距范围内的各标准理论站距上；然后将分布在船艏标准理论站距和船艉标准理论站距内的重量折算至与其相邻的两个标准理论站距内，最后得到的船体的20个标准理论站距的重量分布即为船舶重量纵向分布载荷强度，避免了设备在船艏/船艉的部分重量缺失或失真，使重量分布载荷强的更加准确。

图1为22个标准理论站距的船舶重量分布曲线示意图，其中，0～20为传统的20个标准理论站距，-1～0为扩充的船艏标准理论站距(首站距)，20～21为扩充的船艉标准理论站距(尾站距)。其中，可以采用传统的沿结构水线或船长将船体划分为20个标准理论站距。本发明考虑到设计水线是船舶运行过程中稳性安全的重要保证，沿设计水线方向划分理论站距更真实地反映出船舶的重量分布，确保重量分布合理，保障运行安全。因此，本实施例采用沿设计水线进行标准理论站距的划分。

船舶重量纵向分布载荷强度计算方法流程图如图2所示，下面以图6为实例按步骤阐述实现方法：

第一步：理论站距信息计算。

以船肿肋位号fr的一半为坐标原点，船艏方向为正方向，根据设计水线长l、肋骨间距s计算22个标准理论站距信息(包括几何中心纵坐标、起始纵坐标和终止纵坐标)：

其中，i表示第i个标准理论站距的编号。cpti表示第i个标准理论站距的几何中心纵坐标，spti表示第i个标准理论站距的起始纵坐标，epti表示第i个标准理论站距的终止纵坐标。

所有标准理论站距信息都可以表示为向量的形式，形成标准理论站距中心坐标矩阵cpt和坐标信息矩阵area：

cpt＝(cpt0,···,cpti···,cpt21)(2)

第二步：设备信息计算。

根据设备的起始肋位号sfr和终止肋位号efr计算设备信息(包括设备的起始纵坐标sx和终止纵坐标ex)，可用公式4来计算：

第三步：计算设备所处理论站距范围。

根据设备的起始纵坐标sx、终止纵坐标ex和理论站距矩阵area，并结合该设备的重心纵坐标cx来判断该设备所处的理论站距范围和标准理论站距的个数n；

特殊地，当设备或物品的重心纵坐标cx处于船艏/船艉标准理论站距时(即船艏或船艉)，则认为该设备重量集中于该标准理论站距，其所处理论站距为船艏/船艉标准理论站距，所处标准理论站距个数为1；

特殊地，当设备起始肋位号和终止肋位号相同时，则认为该设备重量集中于重心纵坐标cx处，其所处理论站距为重心纵坐标cx所在标准理论站距，所处标准理论站距个数为1；

第四步：当设备所处的理论站距范围内的标准理论站距的个数大于或等于2时，将该设备的重量按照静力等效原则等效至该设备所处的各标准理论站距上，计算设备所处的各标准理论站距内的重量分布，具体计算步骤如下；

第(1)步：将该设备所处的理论站距个数n对分(n≥2)，等效成两个等效理论站距，计算两个等效理论站距的等效重量分布p1和p2(如图3所示)，可用公式5计算：

其中，p表示设备重量，α表示该设备重量作用点与所处的理论站距范围的几何中心之间的距离；δl为对分后的等效理论站距的长度：

δl＝0.5×n×l/s(6)

第(2)步：按照第(1)步的方式，将等效后的两个等效理论站距分别进行再次对分，计算再次对分后的等效理论站距的等效重量分布，重复第(2)步，直至对分后得到的等效理论站距的长度为标准理论站距的长度，即可得到该设备在其所在的各标准理论站距内的等效重量分布，如图4所示，即可得到各理论站距的等效重量分布。其中，每次对分时，若待对分的标准理论站距的个数n能被2整除，则对分后的等效理论站距个数为n/2，反之，则对分后的等效理论站距个数为n/2+0.5。

第五步：若该设备跨船艏/船艉标准理论站距，则将船艏/船艉标准理论站距的重量分布折算至相邻的两个标准理论站距内(如附图5所示)，可用公式7计算：

公式7中δl'表示船艏/船艉标准理论站距长度；折算船艏标准理论站距内的重量时，α′表示船艏标准理论站距内的等效重力p的作用点与船艏标准理论站距终止纵坐标之间的距离；折算船艉标准理论站距内的重量时，α′表示船艉标准理论站距内的等效重力p的作用点与船艉标准理论站距起始纵坐标之间的距离，α'＝0.5δl'；

第六步：将该设备所处的各标准理论站距内的等效重量相加(如图3所示)，除以标准理论站距长度，即可得到各标准理论站距的重量载荷分布强度subp：

subp＝(p1,···,pi,···,p20)(8)

公式8中pi表示第i个标准理论站距的重量载荷分布强度。

第七步：依次对全船所有设备和物品执行第二步至第六步骤，即可得到所有设备的各标准理论站距的重量载荷分布强度：

公式9中subpi表示第i个设备的重量载荷分布，pij表示第i个设备在第j个标准理论站距的重量载荷分布强度，m表示设备个数。将各标准理论站距内所有设备的重量分布载荷强度相加，即可得到各标准理论站距内的重量分布载荷强度：

其中，dispj为第j个标准理论站距内的重量分布载荷强度。

将每一个标准理论站距的重量载荷分布强度表示为向量形式，形成重量纵向分布载荷强度矩阵disp：

disp＝(disp1,···,dispj,···,disp20)j∈[1,20](11)

第八步：根据各标准理论站距的中心坐标cpt和等效重量分布载荷disp计算重量分布之后的等效重心坐标ipt，可用公式12计算：

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。