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

徐光旗 趙明超 吳桂軍

摘要：隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國(guó)對(duì)外貿(mào)易出口量不斷增加，在對(duì)外銷售的貨物中，一大部分都是通過(guò)海上航線完成的，因此，國(guó)家開(kāi)始越來(lái)越重視船舶的設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理。船舶的設(shè)計(jì)工作非常復(fù)雜，尤其是其主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，既要考慮船舶航行環(huán)境因素，又要考慮荷載要求，這在一定程度上增加了主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難度。在實(shí)際的設(shè)計(jì)工作中，要結(jié)合船舶實(shí)際的運(yùn)行情況，分析其運(yùn)行中可能遇到的問(wèn)題，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高船舶設(shè)計(jì)質(zhì)量?；诖?，本文簡(jiǎn)要探討了船舶主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的相關(guān)問(wèn)題及處理對(duì)策。

關(guān)鍵詞：船舶；主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；問(wèn)題；對(duì)策

引言

在船舶主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，需綜合考慮其實(shí)用性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性。對(duì)于其主體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)首先要能滿足船舶惡劣的工作環(huán)境，其次是經(jīng)常會(huì)遇到的滿荷載運(yùn)行，這些限制條件決定了必須重視船舶的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)中，要采用可靠的船體材料和連接工藝保證船體質(zhì)量。

一、結(jié)構(gòu)優(yōu)化和重量控制

在船舶設(shè)計(jì)中，船用設(shè)備、鋪管設(shè)備較多、系統(tǒng)也較復(fù)雜，這從一定程度上對(duì)設(shè)計(jì)管理和船舶管理增加很大難度。在設(shè)計(jì)中，要從基本設(shè)計(jì)到詳細(xì)設(shè)計(jì)，不斷的進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，控制好船舶重量。重量控制是船舶設(shè)計(jì)和建造過(guò)程中一項(xiàng)非常重要的工作，隨著設(shè)計(jì)的深入，設(shè)備的制造的不斷融入以及現(xiàn)場(chǎng)建造的不斷推進(jìn)，重量和重心隨時(shí)都在變化，設(shè)計(jì)前期的余量也會(huì)不斷減小，如何做好每個(gè)階段的有效控制和管理，在不影響船舶性能、建造計(jì)劃和交船期的前提下建造出既滿足客戶需求，又滿足實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性的要求是值得行業(yè)內(nèi)人員不斷研究的。

1、重量控制的目的

在船舶主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，為了保證船舶運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性，可以盡量降低船舶自身重量，這樣既可以提升荷載能力，又可以滿足船舶總體性能，盡可能的降低成本。

2、空船重量?jī)?nèi)容

在船舶設(shè)計(jì)中，通常船舶自重包含船體結(jié)構(gòu)、設(shè)備和舾裝件、船用備件及各類綜合管道。

3、控制階段

空船重量控制主要分為設(shè)計(jì)階段控制和建造階段控制，其中設(shè)計(jì)階段又分為總體預(yù)估階段和詳細(xì)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)設(shè)計(jì)控制階段。生產(chǎn)設(shè)計(jì)階段主要是指從鋼板切割到傾斜試驗(yàn)期間。

4、結(jié)構(gòu)優(yōu)化

為了控制好船舶重量，在主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中就要做好優(yōu)化設(shè)計(jì)，從船體構(gòu)件尺寸、外形和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上采取措施進(jìn)行降低船舶自重，一般較常用的就是尺寸優(yōu)化，主要是優(yōu)化各構(gòu)件的截面尺寸，比如優(yōu)化板厚和型材規(guī)格。形狀優(yōu)化是結(jié)構(gòu)優(yōu)化的較高層次，如修改底端部連接樣式、構(gòu)件幾何形狀等。拓?fù)鋬?yōu)化是更高層次的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，即對(duì)結(jié)構(gòu)布局進(jìn)行優(yōu)化，比如根據(jù)區(qū)域特點(diǎn)選用橫骨架結(jié)構(gòu)、縱骨架結(jié)構(gòu)或者橫骨架、縱骨架混合式結(jié)構(gòu)等。結(jié)構(gòu)優(yōu)化一般結(jié)合材料的許用應(yīng)力、極限強(qiáng)度等在有限元分析等計(jì)算機(jī)輔助下完成。

二、船舶主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)處理對(duì)策

1、輔助支撐

在進(jìn)行分段設(shè)計(jì)的過(guò)程中，要對(duì)輔助支撐加以設(shè)置，才能確保船體整體的穩(wěn)定性，而實(shí)際情況是，工作人員在設(shè)計(jì)實(shí)踐中非常容易將輔助支撐忽視造成質(zhì)量問(wèn)題的出現(xiàn)。作為一名船舶生產(chǎn)建造人員，應(yīng)該充分意識(shí)到輔助支撐的重要作用，結(jié)合實(shí)際情況，及時(shí)和設(shè)計(jì)人員之間做好溝通交流，聽(tīng)取各方意見(jiàn)，對(duì)輔助支撐建造加以優(yōu)化，建造工作的開(kāi)展應(yīng)該著眼于質(zhì)量和安全，只有保證輔助支撐的合理性才能保證船只產(chǎn)品的應(yīng)用性能。

2、分段接口

對(duì)船體分段接口的設(shè)計(jì)屬于船體設(shè)計(jì)工作中的重要內(nèi)容，對(duì)分段接口的優(yōu)化，能夠使設(shè)計(jì)效果更為完善：

（1）有利于促進(jìn)船只分段裝配工作的順利開(kāi)展。傳統(tǒng)理念下的分段設(shè)計(jì)工作是將各艙體分為相對(duì)獨(dú)立的分段，P型分段可能會(huì)造成船體中心的分布不夠均勻，這種不均勻的分布需要后期通過(guò)輔助支撐進(jìn)行彌補(bǔ)，來(lái)改進(jìn)船體結(jié)構(gòu)。在設(shè)計(jì)中，可以采用增設(shè)面板的形式使船舶形成R型分段，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)分段裝配工作的簡(jiǎn)化。不但能提高焊接工作的效率，還能提高船體的安全性。

（2）大幅降低船舶舾裝件的工作量。通常情況下，機(jī)艙可以分為機(jī)房雙層底、上平臺(tái)以及下平臺(tái)等多個(gè)分段。機(jī)艙雙層底部分的外板以及前端壁需要高出雙層底約100～150mm。而這樣的設(shè)計(jì)會(huì)造成雙層底舾裝設(shè)置在安裝的過(guò)程中工作量大幅提高。所以，要對(duì)前期設(shè)計(jì)階段加以全面優(yōu)化，在艙前壁對(duì)接口位置設(shè)置一個(gè)立板，高出內(nèi)底約1000mm，從而讓全部舾裝設(shè)備在進(jìn)行分段安裝的過(guò)程中，呈現(xiàn)出更強(qiáng)的精準(zhǔn)性，大幅縮短工時(shí)。

3、通焊孔

對(duì)通焊孔的設(shè)計(jì)需要符合船體整體安裝與應(yīng)用需求。設(shè)計(jì)人員需要結(jié)合船舶的實(shí)際應(yīng)用需求對(duì)通焊孔半徑和切角等加以合理設(shè)計(jì)?？紤]到船舶實(shí)際運(yùn)行中哪些位置為高應(yīng)力區(qū)，在這些位置的通焊孔就需要進(jìn)行補(bǔ)板設(shè)計(jì)，而過(guò)多的補(bǔ)板設(shè)計(jì)會(huì)增加實(shí)際施工中的工作量和施工難度，這樣影響了設(shè)計(jì)效果。所以，船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)工作之初就要對(duì)其加以充分考慮，設(shè)計(jì)出可以滿足規(guī)格要求的通焊孔，使設(shè)計(jì)方案更為人性化、科學(xué)化從而更利于船舶建造。

4、過(guò)梁孔補(bǔ)板

此部分也是在船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作中容易被忽略的細(xì)節(jié)，對(duì)于不同類型船舶船體的設(shè)計(jì)和建造有著不同的要求，所建造的船舶應(yīng)該充分滿足客戶所提出的各項(xiàng)需求。而船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員在工作實(shí)踐中則通常會(huì)按照慣例利用常用的規(guī)則和標(biāo)準(zhǔn)對(duì)過(guò)梁孔補(bǔ)板進(jìn)行設(shè)計(jì)，導(dǎo)致無(wú)法符合設(shè)計(jì)要求的問(wèn)題出現(xiàn)。除此之外，因?yàn)闄C(jī)艙區(qū)屬于各種管路比較集中的區(qū)域，非常容易出現(xiàn)跟船體結(jié)構(gòu)之間的沖突，在船舶綜合管道的布置中，會(huì)因?yàn)闆](méi)有合理預(yù)留管道位置，而進(jìn)行主題結(jié)構(gòu)打孔，這樣既增加了工作量，又降低了船舶的安全性，如果在設(shè)計(jì)中考慮將過(guò)梁孔預(yù)留成管道的位置，這樣可以集中布置管道。從而在很大程度上解決布置上的沖突，提升空間利用效率。

5、臨時(shí)通道口

在機(jī)艙舷側(cè)增設(shè)能夠進(jìn)入到機(jī)艙的臨時(shí)通道孔，這是目前國(guó)際上建造一流船舶所利用的一種工藝處理措施。在傳統(tǒng)船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，通常不會(huì)設(shè)置通道孔方便人員臨時(shí)出入。在臨時(shí)通道孔的設(shè)置，能夠改善上層建筑人員衛(wèi)生情況，同時(shí)還能在一定程度上確保建造的安全性。

6、艙口圍板縱向肘端

在傳統(tǒng)船體結(jié)構(gòu)建造工作中，對(duì)艙口圍板縱向底端的設(shè)置不會(huì)考慮跟開(kāi)艙機(jī)軸承間所形成的結(jié)構(gòu)沖突，設(shè)計(jì)效果平直化，在船舶實(shí)際工作中，經(jīng)常會(huì)由于設(shè)計(jì)的不合理而導(dǎo)致甲板與肘板端裂紋的出現(xiàn)，為了避免這種情況，需要在設(shè)計(jì)中將平直段設(shè)置成凹槽的形式，增設(shè)縱向緩沖，以防有結(jié)構(gòu)沖突出現(xiàn)。船體結(jié)構(gòu)施工人員在建造過(guò)程中需要結(jié)合結(jié)構(gòu)設(shè)建設(shè)準(zhǔn)對(duì)設(shè)計(jì)內(nèi)容進(jìn)行不斷完善，使建造效果能夠符合應(yīng)用需求，改善結(jié)構(gòu)建造效果。

7、散貨防堆積板

通常情況下，在散貨船船艙口圍板的角隅位置，為防止散貨堆積，需要對(duì)防堆積板進(jìn)行設(shè)置。不過(guò)，在實(shí)際建造過(guò)程中經(jīng)常會(huì)忽略角隅位置的應(yīng)力條件。所以，在建造過(guò)程中需要使防堆積板跟主甲板之間保持10～15mm的距離，從而防止角隅位置受到集中應(yīng)力的影響，確保應(yīng)用安全性。

結(jié)語(yǔ)

綜上所述，由于船舶運(yùn)行環(huán)境極為復(fù)雜，再加上其運(yùn)行時(shí)受力較大，這些因素使得做好船舶設(shè)計(jì)非常有技術(shù)難度。在實(shí)際的設(shè)計(jì)中，需結(jié)合以往船舶設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和運(yùn)行中遇到的問(wèn)題，從安全、實(shí)用和經(jīng)濟(jì)三個(gè)角度進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，提高船體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，降低船體的自身重量，這樣才能保證船體質(zhì)量，提高船舶航行的安全性，促進(jìn)我國(guó)海航業(yè)的發(fā)展。

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（作者單位：南通諾德瑞海洋工程研究院有限公司）