船舶主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相關(guān)問(wèn)題及對(duì)策

常永輝

摘 要：船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一項(xiàng)十分復(fù)雜的工作，既要考慮可靠性、使用性等因素，又要兼顧制造工藝性、經(jīng)濟(jì)性等方面的要求。近年來(lái)，隨著船舶發(fā)展的日益大型化、高速化，船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求越來(lái)越高，尤其是船舶主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，成為影響船舶航速及續(xù)航能力的關(guān)鍵。基于此，本文分析了船舶主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求，闡述了船舶主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮的因素，并提出了船舶主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的對(duì)策，以期為相關(guān)設(shè)計(jì)人員提供借鑒與參考。

關(guān)鍵詞：船舶；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；考慮因素

中圖分類(lèi)號(hào)：U661 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

船舶航運(yùn)過(guò)程中容易受到惡劣工作環(huán)境的影響，且船體時(shí)刻處于多重荷載的影響，這對(duì)船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了較高要求。在船舶主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)針對(duì)縱橫向構(gòu)件、底邊艙結(jié)構(gòu)、箱形中桁材、構(gòu)件連接等進(jìn)行重點(diǎn)設(shè)計(jì)和研究，以切實(shí)提高設(shè)計(jì)可靠性，保證船舶航運(yùn)安全。

一、船舶主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求

船舶主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，要綜合考慮航運(yùn)可靠性、船舶使用性、生產(chǎn)工藝性、維護(hù)便捷性等多方面因素，其中尤以可靠性因素最為關(guān)鍵。在設(shè)計(jì)船舶主體結(jié)構(gòu)時(shí)，必須嚴(yán)格依據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范，科學(xué)選取設(shè)計(jì)依據(jù)，這是保證船舶結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的先提條件。船舶設(shè)計(jì)最終是為船舶制造服務(wù)的，因此所設(shè)計(jì)出來(lái)的結(jié)構(gòu)必須易于制造，便于進(jìn)行質(zhì)量控制等活動(dòng)。一般情況下，船舶主體結(jié)構(gòu)要盡可能多地使用標(biāo)準(zhǔn)化型材或者軋制型材，各骨材間要保持合理的間距，這樣一方面有利于提高船舶制造的工藝性，另一方面也易于開(kāi)展各項(xiàng)成本控制工作，提升船舶制造的經(jīng)濟(jì)性。使用性也是船舶主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要考慮因素，例如，在設(shè)計(jì)貨船時(shí)要提前規(guī)劃好艙口尺寸的大小，避免因艙口過(guò)小而對(duì)對(duì)貨物裝卸造成不便；在設(shè)計(jì)客船時(shí)要設(shè)法減小船體的總變形，防止航運(yùn)過(guò)程中出現(xiàn)過(guò)大變形而造成乘客的不適或恐慌。

二、船舶主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的考慮因素

1.工作環(huán)境

船舶在營(yíng)運(yùn)期間長(zhǎng)時(shí)間地與海水等腐蝕性介質(zhì)接觸，很容易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)腐蝕問(wèn)題，若保養(yǎng)工作跟不上，腐蝕不斷加重，最終可能出現(xiàn)構(gòu)件銹穿，導(dǎo)致船體強(qiáng)度大幅下降。與此同時(shí)，受不良?xì)夂?、波浪拍擊、貨物裝卸等方面的影響，船體很容易出現(xiàn)疲勞性損傷，在腐蝕與疲勞損傷的雙重作用下，很可能出現(xiàn)船殼破損進(jìn)水等嚴(yán)重事故。同時(shí)，船舶航行過(guò)程中，不可避免地會(huì)受到波浪的沖擊，這種沖擊輕則造成船體外板腐蝕、變形，重則引發(fā)船體中垂彎曲等問(wèn)題，使船體應(yīng)力出現(xiàn)較大變化。此外，當(dāng)船舶遭遇大的浪涌沖擊時(shí)，波浪反復(fù)交替作用，會(huì)使船體扭曲、中垂等負(fù)面狀態(tài)進(jìn)一步惡化，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成荷載分布的嚴(yán)重失衡，影響整個(gè)船舶的航行安全。

2.船體載荷

船舶航運(yùn)期間，同時(shí)受到多重荷載影響，如船體自重、海水浮力、風(fēng)力、慣性力、物資壓力等，此外，個(gè)別情況下還可能產(chǎn)生爆炸、撞擊等突發(fā)性荷載。在設(shè)計(jì)船舶主體結(jié)構(gòu)過(guò)程中，應(yīng)充分考慮上述荷載的影響，通過(guò)一定的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)抵消、分散不良荷載的影響，保持船舶整體荷載均衡。船舶主要荷載分布情況如圖1所示。

三、船舶主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相關(guān)問(wèn)題及對(duì)策

1.縱橫向構(gòu)件

在設(shè)計(jì)船體的主要構(gòu)件時(shí)，應(yīng)保證結(jié)構(gòu)具有較好的連續(xù)性，盡量不要出現(xiàn)結(jié)構(gòu)斷層或高度、剖面上的突變。通常情況下，可將主要構(gòu)件設(shè)計(jì)成完整的閉環(huán)框架，且把框架上各接合部位設(shè)計(jì)成具有一定半徑的圓角狀，形成平滑、連續(xù)的船體支撐結(jié)構(gòu)。如果是縱向構(gòu)件，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)確保強(qiáng)度的連續(xù)性，個(gè)別縱向部件直接關(guān)系到船體梁總縱強(qiáng)度，在布置時(shí)應(yīng)將其向端部延長(zhǎng)足夠的距離。尤其是在貨艙設(shè)計(jì)中，需將位于貨艙部分的縱艙壁中幾個(gè)關(guān)鍵支撐構(gòu)件延伸至貨艙外部，并在雙層殼體部分進(jìn)行加強(qiáng)處理，通常做法是加設(shè)強(qiáng)肋骨和舷側(cè)縱桁。

為保證船舶總縱強(qiáng)度，建議將散貨船的頂邊艙與底邊艙都設(shè)計(jì)為高強(qiáng)度的箱型三角結(jié)構(gòu)，同時(shí)輔以高強(qiáng)度的雙層底結(jié)構(gòu)。對(duì)于單殼體散貨船，在設(shè)計(jì)貨艙部分的雙層底高度時(shí)，不但要考慮總布置要求，還必須符合規(guī)范中對(duì)于普通貨船的設(shè)計(jì)要求。散貨船所采用的雙層底一般為縱骨架式結(jié)構(gòu)，在機(jī)艙部分，建議設(shè)置主肋板，一般每隔一個(gè)肋位設(shè)一個(gè)即可，如果肋位處于主機(jī)座、鍋爐座等基座下方，則必須設(shè)置主肋板。距艏垂線(xiàn)0.2L以?xún)?nèi)可以每隔一個(gè)肋位設(shè)置一個(gè)主肋板，其他部位可以每隔3或4個(gè)肋位設(shè)一個(gè)。根據(jù)中國(guó)船級(jí)社相關(guān)規(guī)定，主肋板的間距不得超過(guò)3.6m，船體中縱刨面需要設(shè)置龍骨，但目前大型散貨船大都以箱形龍骨取代之。龍骨兩端應(yīng)設(shè)置旁龍骨，根據(jù)新版船舶結(jié)構(gòu)共同規(guī)范，兩個(gè)相靠龍骨的間距應(yīng)保持4.6m以上，抑或船底一般扶強(qiáng)材間距的5倍以上，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，可以取其中較小者。

2.底邊艙結(jié)構(gòu)

船舶底邊艙斜頂板和雙層底內(nèi)底板交接處可以采用焊接連接或圓弧連接兩種不同形式。如果采用焊接方式，旁龍骨必須和斜頂板保持對(duì)齊，且內(nèi)底板伸出旁龍骨的部分不得大于5cm，若伸出部分過(guò)長(zhǎng)，在后續(xù)焊裝橫向框架上的扇形補(bǔ)板時(shí)會(huì)遇到一些麻煩。同時(shí)，內(nèi)底板伸出部分的末尾需設(shè)計(jì)為圓形，各構(gòu)件之間一定要焊透。

船舶貨艙部分的底邊艙斜頂板采用縱骨架式結(jié)構(gòu)，船舷與底板交接的彎曲部分不做特別要求，采用橫骨架或縱骨架式結(jié)構(gòu)皆可，但一般以前者居多。

船舶底邊艙斜頂板和內(nèi)底板面應(yīng)當(dāng)保持45°～50°左右的夾角，肋板處需要設(shè)置橫向強(qiáng)框架，以對(duì)縱骨起支撐作用，同時(shí)框架上需要設(shè)置足夠大的通道孔，通道孔邊緣用扁鋼做加強(qiáng)處理，且扁鋼和縱骨間通過(guò)加強(qiáng)筋進(jìn)行穩(wěn)固?？v骨穿過(guò)通道孔的部分需要安裝補(bǔ)板，補(bǔ)板與兩層底板及船舷外板相連，具體尺寸大小可參照相關(guān)規(guī)范來(lái)決定。

3.箱形中桁材

箱形中桁材俗稱(chēng)箱形龍骨，可設(shè)置于散貨船雙層底中線(xiàn)面處，用來(lái)取代普通龍骨。箱形龍骨由兩道平行設(shè)置的水密性側(cè)板與骨材、內(nèi)外底板等組成。箱形龍骨通常用來(lái)對(duì)管系進(jìn)行集中布設(shè)，防止管道從貨艙直接穿過(guò)而影響裝卸作業(yè)。在機(jī)艙前端壁上需設(shè)置通往箱形龍骨的人孔，并安裝水密裝置，以便工作人員進(jìn)入其中開(kāi)展檢查活動(dòng)。同時(shí)，在箱形龍骨與露天甲板之間也要設(shè)置一個(gè)應(yīng)急通道。箱形龍骨的側(cè)板厚度不得小于水密肋板，為確保船舶進(jìn)塢后底縱桁可以順利擱置到墩木上，應(yīng)將兩側(cè)板間距控制在2m以下。同時(shí)，考慮到橫向強(qiáng)度被削弱，對(duì)于箱形龍骨部分的船底板、內(nèi)底板需略微增加厚度，以提高強(qiáng)度。箱形龍骨內(nèi)可用橫向骨架取代肋板，骨架可采用環(huán)形架或船底橫骨等形式。肋骨和肋板之間可以采取搭接的方式，且搭接長(zhǎng)度至少要達(dá)到肋骨高度的5/4倍，以確保受力的均勻傳遞。

4.構(gòu)件連接

構(gòu)件連接向來(lái)是船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，船舶主要構(gòu)件之間的連接形式有3種：一是設(shè)置連接肘板；二是采用整體式端肘板；三是設(shè)計(jì)成整體型，具體如圖2所示。

在具體設(shè)計(jì)過(guò)程中，可利用疲勞強(qiáng)度校核等手段，對(duì)各結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，確保船體構(gòu)件尤其是受交變載荷影響的構(gòu)件具有一定的抗疲勞性，進(jìn)而提高其使用壽命。船舶貨艙部分的船舷一般設(shè)計(jì)為橫骨架式結(jié)構(gòu)，各肋位的端部均做成軟趾狀，起到分散節(jié)點(diǎn)應(yīng)力的作用，減輕構(gòu)件所受到的疲勞損傷。在縱向強(qiáng)構(gòu)件的間斷處，應(yīng)采取相應(yīng)的過(guò)渡處理，確保結(jié)構(gòu)整體的連續(xù)性，防止出現(xiàn)應(yīng)力集中的情況。

結(jié)語(yǔ)

船舶主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一項(xiàng)科學(xué)性極強(qiáng)的工作，同時(shí)也是一個(gè)動(dòng)態(tài)優(yōu)化、不斷改進(jìn)的過(guò)程。設(shè)計(jì)人員要在堅(jiān)持相關(guān)設(shè)計(jì)原則的基礎(chǔ)上，不斷對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，在確保船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的同時(shí)，盡量減輕船體自重，提高船舶航運(yùn)的經(jīng)濟(jì)性，充分發(fā)揮船舶的使用性能。

參考文獻(xiàn)

[1]倪軍，張瑞婷.關(guān)于船舶結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的研究[J].科技傳播，2013（22）：49-51.

[2]許文鋒，饒志翠，夏選晶.船舶結(jié)構(gòu)關(guān)鍵位置設(shè)計(jì)要點(diǎn)及控制方法[J].船舶經(jīng)濟(jì)貿(mào)易，2013（6）：10-12.

[3]謝衛(wèi)容，馬愛(ài)兵，周俊榮.船舶機(jī)艙支撐結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析及改進(jìn)設(shè)計(jì)[J].艦船科學(xué)技術(shù)，2016（4X）：165.

[4]劉亮，肖連文.船舶主船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的若干問(wèn)題分析[J].科研，2016（7）：281-282.