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Design of Ship Hull Structures (A Practical Guide for Engineers)


Year: 2008
Language: english
Author: Yasuhisa Okumoto, Yu Takeda, Masaki Mano, Tetsuo Okada
Publisher: JAPAN Kinki University
Format: PDF
Quality: eBook
Pages count: 565
Description: The ship design is divided generally into four parts, hull form design, arrangement design, hull structure design, and fitting design (hull fitting and machinery fitting).
The design of merchant ships starts with the owner’s requirements such as kind and volume of cargo, transportation route and time generally. Sometimes the owner has a special requirement such as no bulkhead in hold.
Based on the above requirements a general arrangement plan is roughly designed and the studies are to be done from stability, strength, operation, and habitability viewpoints. Thus the general arrangement plan is finally decided with correction if necessary. Referring the lines plan, which shows the hull form, and the general arrangement plan, in the hull structure design the size, position, and materials of the structural members are decided, including the fabrication and assembly methods.
The most important duty of the hull structure design is to supply a strong enough hull structure against the internal and external loads. The text books or hand books of hull strength are helpful to the hull structure designer. However these books are generally written from the viewpoint of the strength theory and seem not to be sufficient from the design viewpoint.
The authors are hull structure designers in four generations, from the developing era of the structural design by large increase of the ship size and increase of ship production to establishing era of the design technology using computer; CAD and CAE. In this book the experiences of the authors in the above generations are condensed from the design viewpoint. Hence this book includes not only basic theory but also practical design matter. The authors are convinced that this book will be strong weapon for designers to design the hull structure as well as for students to understand the hull structure design in the world.

Contents

Contents
Part I Fundamentals
1 Philosophy of Hull Structure Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.1 Importance of Hull Structure Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2 Design Procedure of Structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.3 Hull Structure Design Policy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.4 Basic Idea of Hull Structure Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.5 Studies on Loads Applied . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.6 Reliable Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2 Structural Design Loads . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.2 Longitudinal Strength Load . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.3 Transverse Strength Load . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.4 Ship Response Calculation in Waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.4.2 StripMethod . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.4.3 Short-Term Prediction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.4.4 Long-Term Prediction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3 Strength Evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.1 General . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.1.2 Procedure of Structural Strength Evaluation . . . . . . . . . . . . . . 33
3.2 Stress and Strain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.2.1 Stress Pattern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.2.2 Biaxial Stress Condition [12] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.2.3 Combination of Normal Stress and Shearing Stress [12] . . . . 39
3.2.4 Principal Stress and Principal Shearing Stress [12] . . . . . . . . 40
3.2.5 Equivalent Stress . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.2.6 Evaluation of Stress Calculated by FEM . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.3 Evaluation of Stress . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.3.1 Criteria of Failure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.3.2 Allowable Stress . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
vii
viii Contents
3.4 Fatigue Strength . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.4.2 S–N Curve. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.4.3 Fatigue Damage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
3.5 Buckling of Ship Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3.5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3.5.2 Column Buckling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.5.3 Plate Buckling. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
3.6 Plastic Strength . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
3.6.1 Philosophy of Plastic Strength . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
3.6.2 Plastic Bending . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
3.6.3 Plastic Section Modulus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.6.4 Collapse of a Beam . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
3.6.5 Collapse of a Plate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
3.7 Vibration in Ship . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
3.7.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
3.7.2 Basic Theory of Single Degree of Freedom Vibration System 70
3.7.3 Vibration Problems in Ships . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
3.7.4 Vibration Prevention Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
3.8 Selection of Strength Analysis Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
3.8.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
3.8.2 Type of AnalysisMethod. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
3.8.3 Analysis Procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
3.8.4 Evaluation of Analysis Result . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
4 Hull Structure Design System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
4.1 Design Flow. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
4.2 Basic Design of Hull Structures. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
4.2.1 Role of Basic Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
4.2.2 Check of General Arrangement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
4.2.3 Check of Other Drawings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
4.2.4 Optimization Technique in Basic Design Process . . . . . . . . . . 88
4.3 Structural Drawings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
4.3.1 Approval Drawings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
4.3.2 Detail Drawings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
4.3.3 Production Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
4.4 Standardization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
4.5 Negotiation with Owner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
5 Progress in Ship Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
5.1 Increase in Ship Dimensions of Tankers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
5.2 Specialization of Ships . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
5.3 Change of Hull Form . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
5.4 Ship Vibration Caused by Socio-Economical Change. . . . . . . . . . . . . 105
5.5 Regulations for Environmental Conservation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
5.6 Technical Innovation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
Contents ix
6 Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
6.1 Hull Steel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
6.2 Grades of Steel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
6.3 Higher-Strength Steel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
6.4 Steel Sections. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
6.5 OtherMaterials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
6.6 Scattering of Material Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
6.7 Scattering of Physical Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
6.8 Residual Stress [42] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
7 Finite Element Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
7.1 Characteristics of FEM. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
7.2 Fundamentals of FEM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
7.2.1 StiffnessMatrix [44] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
7.2.2 Plane Stress [43] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
7.3 Procedure of FEM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
7.4 Application of FEM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
7.4.1 Mesh Division. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
7.4.2 Loading and Supporting Condition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
7.4.3 Degrees of Freedom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
Part II Theory
1 Design of Beams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
1.1 Effective Breadth of Attached Plates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
1.1.1 Bending in Elastic Conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
1.1.2 EffectiveWidth After Plate Buckling. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
1.2 Span Point of Beams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
1.3 Design of Cross Section . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
1.3.1 Calculation of Section Modulus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
1.4 Bending Moment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
1.5 Easy Solution of Statically Indeterminate Beams . . . . . . . . . . . . . . . . 154
1.6 Boundary Condition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
1.7 Cross-Sectional Area of Beams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
1.8 Optimum Design of Beam Section . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
1.8.1 Elastic Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
1.8.2 Plastic Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
1.8.3 Optimal Proportion for Beams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
1.9 Simply Supported Beams and Continuous Beams . . . . . . . . . . . . . . . . 167
1.10 Effect of Struts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
1.11 Additional Bending Moment due to Forced Displacement . . . . . . . . . 172
1.12 LateralMovement of Beams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
x Contents
2 Design of Girders . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
2.1 Shearing Force . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
2.2 Rational Design of Girders . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
2.3 Bottom Transverses Supported by Centerline Girder [5] . . . . . . . . . . 184
2.4 Deflection of Girders . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
3 Damage of Girders . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
3.1 Buckling Caused by Compression. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
3.2 Buckling Caused by Bending . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
3.3 Buckling Caused by Shearing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
3.4 Buckling Caused by Concentrated Loads . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
3.5 Cracks Around Slot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202
3.5.1 Cracks of First Generation [8] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202
3.5.2 Cracks Propagating into Longitudinals . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208
3.5.3 Cracks Around Slots due to Shear Stress on Transverses . . . . 210
4 Design of Pillars . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
4.1 Slenderness Ratio of Pillars . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
4.2 Sectional Shape of Pillars . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
4.3 Pillar Supporting Tensile Force . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
4.4 Connection of Pillar at Top and Bottom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219
4.5 Cross Ties. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
4.6 Radius of Gyration of Square Section . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224
5 Design of Plates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227
5.1 Boundary Conditions of Plates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227
5.2 Strength of Plates Under Lateral Loads . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230
5.3 Strength of Plates by In-Plane Loads . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
5.4 Plates Supporting Bending and Compression Simultaneously . . . . . . 242
5.5 Stress Concentration Around Openings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244
5.6 Material and Roll Direction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248
5.7 Damage of Plates. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251
6 Design of Stiffened Panel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253
6.1 Grillage Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254
6.2 Optimum Space of Girders . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257
6.3 Optimum Space of Beams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258
6.3.1 Design Condition Against Lateral Load like Water Pressure . 258
6.3.2 Design Conditions from Vibration Viewpoint . . . . . . . . . . . . . 259
6.3.3 Minimum Plate Thickness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260
6.3.4 Optimum Beam Space . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260
7 Torsion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267
7.1 Overview of the Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267
7.2 Torsion Theory of Closed Section Bars . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268
7.3 Torsional Rigidity of Various Sections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274
Contents xi
7.4 Torsion Theory of I-Section . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277
7.5 Torsion Theory of Open Section Bars . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279
8 Deflection of Hull Structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285
8.1 Deflection of Hull Girder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286
8.2 Deflection of Beams with Optimum Section . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291
8.3 Deflection of Girders and Web Frames . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292
8.4 Additional Stress Caused by Deflection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293
8.5 Shearing Deflection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295
9 Welding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297
9.1 ButtWelding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298
9.2 Fillet Welding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302
9.3 Fillet Welding with Higher Strength Electrode . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308
9.4 Water Stopping Welding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309
9.5 Scallop and Serration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309
9.6 Conversion of Butt Welding to Fillet Welding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311
9.7 Long IntermittentWelding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314
9.8 Shrinkage of Deposit Metal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315
9.9 One SideWelding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317
10 Fracture Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319
10.1 Jack-Knifed Failure of Liberty Ships . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319
10.2 Fracture Mechanics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321
10.2.1 Principles. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321
10.2.2 Linear Fracture Mechanics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322
10.2.3 Non-Linear Fracture Mechanics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324
10.2.4 Fracture Toughness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325
10.2.5 Grade of Steel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325
10.3 Fatigue Strength Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 328
10.3.1 Crack Propagation Calculation by Paris’s Equation . . . . . . . . 328
10.3.2 Fatigue Strength Design Taking into Account Construction
Tolerances [39] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 330
11 Hull Structural Vibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335
11.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335
11.2 Basic Features of Hull Structure Vibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 336
11.3 Overview of Ship Vibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 338
11.4 Boundary Conditions of Hull Structure Vibration . . . . . . . . . . . . . . . . 341
11.5 Current Boundary Conditions of Hull Structure Vibration . . . . . . . . . 345
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 349
xii Contents
Part III Applications
1 Hull Structure Arrangement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353
1.1 Hold Arrangement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353
1.2 Criteria of Design of Hull Structure Arrangement . . . . . . . . . . . . . . . . 355
1.2.1 Wing Tanks of Tankers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 355
1.2.2 Bulkhead Arrangement of Bulk Carriers . . . . . . . . . . . . . . . . . 358
1.3 Bulkhead Arrangement Beyond Cargo Hold . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 359
1.3.1 Bow Construction Without Extended Longitudinal
Bulkheads . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 360
1.3.2 Engine Room Construction Without Extended
Longitudinal Bulkheads . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 360
2 Longitudinal Strength of Hull Girder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363
2.1 Allowable Stress for Longitudinal Strength . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363
2.2 Position of Maximum Longitudinal Bending Moment . . . . . . . . . . . . 367
2.3 Calculation of Section Modulus of Hull Girder . . . . . . . . . . . . . . . . . . 369
2.4 Longitudinal Strength and Hull Steel Weight . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 370
2.5 Application of High Tensile Steel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 372
2.6 Longitudinal Strength Analysis in Waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 374
2.7 Arrangement of Longitudinal Strength Members . . . . . . . . . . . . . . . . 379
2.8 Stress Concentration on Longitudinal Strength Members . . . . . . . . . . 381
2.9 Additional Bending of Local Members Due to Hull Girder Bending 383
2.10 Longitudinal Bending Stress in Fore & Aft Parts of Ship . . . . . . . . . . 385
2.11 Hull Steel Weight Reduce to Ultimate Strength . . . . . . . . . . . . . . . . . . 386
3 Transverse Strength of Ship . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 387
3.1 Allowable Stress for Transverse Strength . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 388
3.2 Long Taper & Snake Head . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 391
3.3 Shape of Bottom Transverse in Center Tank . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 392
3.4 Shape of Bottom Transverse in Wing Tank . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393
3.5 Transverse Strength of Tanker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 394
3.5.1 Cross Ties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 394
3.5.2 Load Applied on Transverse Strength Members . . . . . . . . . . . 397
3.5.3 Inside Pressure in Wide Tanks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 399
3.5.4 Connection Between Transverse Ring and Side Shell . . . . . . 400
3.5.5 Buckling onWeb of Transverse Rings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 401
3.5.6 Straight Type and Circular Type Construction . . . . . . . . . . . . 403
3.5.7 Transverse Rings at Fore & Aft Parts of Tank . . . . . . . . . . . . . 405
3.6 Transverse Strength of Ore Carrier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 405
3.7 Transverse Strength of Bulk Carrier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 410
3.8 Transverse Strength of Container Ships . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 415
Contents xiii
4 Torsional Strength . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 417
4.1 Structural Damage Due to Torsion (Example No. 1) . . . . . . . . . . . . . . 418
4.2 Structural Damage Due to Torsion (Example No. 2) . . . . . . . . . . . . . . 420
5 Shell Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423
5.1 Thickness of Shell Plates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423
5.2 Shell at Bottom Forward . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 425
5.3 Shell at Bow Flare . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 426
5.4 Bilge Shell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 428
5.5 Shell near Stern Frame . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 428
5.6 Shell Damage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 429
6 Bulkheads . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 431
6.1 Strength of Bulkhead Plates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 431
6.2 Horizontal Girders on Transverse Bulkheads (in Center Tank) . . . . . 433
6.3 Horizontal Girder Arrangement on Bulkheads . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 436
6.4 Vertical Stiffeners on Transverse Bulkheads . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 439
6.5 Swash Bulkheads . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 440
6.6 Horizontal Stiffeners on Transverse Bulkheads . . . . . . . . . . . . . . . . . . 443
6.7 Minimum Thickness of Longitudinal Bulkhead Plates . . . . . . . . . . . . 447
6.8 Sharing Ratio of Shearing Force . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 449
6.9 Corrugated Bulkheads . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 451
6.10 Horizontal Girders on Corrugated Bulkheads . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 454
6.11 Stiffness of Corrugated Bulkheads Against In-Plane Loads . . . . . . . . 456
7 Deck Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 461
7.1 Stress Concentration at Hatch Corners . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 461
7.1.1 General . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 461
7.1.2 Contour Shape Optimization of Container
Ship Hatch Corners . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 464
7.2 Deck Strength for Locally Distributed Loads . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 467
7.3 Deck Sustaining Upward Loads . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 471
7.4 Damage to Deck Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 472
8 Double Hull Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 475
8.1 Structural System of Double Hull Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 475
8.2 Double Hull Structure and Single Hull Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . 477
8.3 Examples of Double Hull Structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 478
8.3.1 Cargo Ships . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 478
8.3.2 Tankers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 479
8.3.3 Container Ships . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 480
8.3.4 Nuclear Ships . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 480
8.3.5 Large Bulk Carriers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 481
xiv Contents
9 Fore Construction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 483
9.1 Structural Arrangement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 483
9.2 Structure of Shell Construction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 485
9.3 Vertical Acceleration Depending on Pitching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 486
9.4 Deck Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 487
9.5 Structural Continuity. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 488
9.6 Large Damage in Fore Construction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 488
10 Engine Room Construction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 491
10.1 Engine and Pump Rooms Arrangement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 492
10.2 Rigidity Criteria in Engine Room Structure Design . . . . . . . . . . . . . . 494
10.2.1 Double Bottom in Engine Room. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 495
10.2.2 Panel, Web, Stiffener Etc. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 496
10.3 Design of StructuralMembers in Engine Room . . . . . . . . . . . . . . . . . 497
10.4 Girders and Floors in Engine Room Double Bottom . . . . . . . . . . . . . . 499
10.5 Problems Caused by Deflection of Engine Room Double Bottom . . . 501
10.6 Deflection of Engine Room Double Bottom. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 503
10.6.1 Bending and Shearing Deflection of Hull Girder
in the Vicinity of Engine Room . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 503
10.6.2 Deformation ofWeb FrameWhich Supports Engine Room
Double Bottom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 505
10.6.3 Bending and Shearing Deflections of Engine Room
Double Bottom Itself . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 505
10.7 Allowable Limit of Deflection of Engine Room Double Bottom . . . . 506
10.8 Control of Deflection of Engine Room Double Bottom . . . . . . . . . . . 509
10.9 Sea Chest in Engine Room Double Bottom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 511
11 Stern Construction and Stern Frame . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 513
11.1 Aft Peak Tank Construction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 514
11.2 Vibration of Stern Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 515
11.2.1 Vibration of Stern Overhang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 515
11.2.2 Transverse Vibration of Stern Bossing
of a Single Screw Vessel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 518
11.2.3 Vertical Vibration of Twin Bossing in Twin Screw Vessel . . . 518
11.3 Stern Frame . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 521
12 Vibration Prevention . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 527
12.1 Exciting Forces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 528
12.1.1 Magnitude of Propeller Excitation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 529
12.1.2 Magnitude of Diesel Engine Excitation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 532
12.1.3 Magnification of Exciting Force by Resonator . . . . . . . . . . . . 534
12.1.4 Cancellation of Exciting Force . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 541
12.1.5 Reduction of Main Engine Exciting Force
by ElasticMounting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 543
Contents xv
12.2 Prevention of Ship Vibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 545
12.2.1 Flexural Vibration of Hull Girder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 546
12.2.2 Vibration of Superstructure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 548
12.2.3 Active Mass Damper for Superstructure Vibration . . . . . . . . . 550
12.2.4 Vibration of In-Tank Structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 552
12.2.5 Calculation Methods of Natural Frequency of In-
Tank Structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 552
13 Superstructure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 559
13.1 Example of Damage to Long Superstructures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 559
13.2 Interaction of Superstructures and Main Hull . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 559
13.3 Magnitude of Longitudinal Bending Stress . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 561
13.4 Prevention of Structural Failures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 564
13.4.1 Structural Discontinuity. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 564
13.4.2 Round Shape of Side Wall Opening Corner . . . . . . . . . . . . . . 565
13.4.3 Buckling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 568
13.4.4 Expansion Joints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 570
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 571
Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 573
Оценка: 4.9 / 5 (Голосов: 17)
pryschik 25-Июн-2015 22:23
Блин, ну вот почему книга, написанная японцем, да еще и на английском языке
гораздо информативнее и понятнее чем все на русском.
0
GOOGLE BOT 09-Июл-2015 04:52
 
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