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

丁秀梅

摘要：船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一項(xiàng)非常復(fù)雜的工作，不僅要考慮可靠性、可用性等因素，還要考慮制造技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性的要求。近年來(lái)，隨著船舶規(guī)模和高速發(fā)展，對(duì)船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求越來(lái)越高。尤其是船舶主體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)已成為影響船舶速度和耐久性的關(guān)鍵。在此基礎(chǔ)上，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，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)人員提供參考。

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

船舶在航行過(guò)程中，容易受到惡劣的工作環(huán)境的影響，船體經(jīng)常受到多種載荷的影響，對(duì)船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了更高的要求。在船舶主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)重點(diǎn)對(duì)縱、橫向構(gòu)件、底側(cè)船艙結(jié)構(gòu)、箱中桁架、構(gòu)件連接等進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，以提高設(shè)計(jì)的可靠性，保證船舶航行安全。

1船舶主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求

在船舶主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)綜合考慮船舶可靠性、船舶可用性、生產(chǎn)工藝和維修方便等諸多因素，其中可靠性是最重要的因素。船舶主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，必須根據(jù)有關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范科學(xué)選擇設(shè)計(jì)依據(jù)，這是保證船舶結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的前提。船舶設(shè)計(jì)最終服務(wù)于造船業(yè)，因此設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)必須易于制造和進(jìn)行質(zhì)量控制活動(dòng)。一般來(lái)說(shuō)，船舶主體結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量采用標(biāo)準(zhǔn)化外形或軋制外形，各種集料之間應(yīng)保持合理的間距。一方面有利于提高船舶制造工藝水平，另一方面也便于實(shí)施成本控制，提高船舶制造經(jīng)濟(jì)性。在船舶主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，可用性也是一個(gè)重要的考慮因素。例如，在設(shè)計(jì)貨船時(shí)，應(yīng)事先規(guī)劃艙門的大小，以避免艙門太小給貨物裝卸帶來(lái)不便；在設(shè)計(jì)客船時(shí)，應(yīng)減少船體的總變形，防止因艙門太大而引起乘客的不適或恐慌。

2船舶主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的考慮因素

2.1工作環(huán)境

船舶在作業(yè)過(guò)程中長(zhǎng)期暴露在海水等腐蝕性介質(zhì)中，容易發(fā)生結(jié)構(gòu)腐蝕。如果維修不能跟上，腐蝕將不斷加劇，最終部件可能生銹，導(dǎo)致船體強(qiáng)度顯著降低。同時(shí)，由于惡劣天氣、波浪拍打、貨物裝卸等因素，船體容易發(fā)生疲勞損傷。在腐蝕和疲勞損傷的雙重作用下，很可能發(fā)生船體和進(jìn)水口損壞等嚴(yán)重事故。同時(shí)，船舶在航行過(guò)程中不可避免地會(huì)受到波浪的沖擊。較輕的沖擊會(huì)引起船體板的腐蝕變形，較重的沖擊會(huì)引起船體垂直彎曲等問(wèn)題，從而引起船體應(yīng)力的較大變化。此外，當(dāng)船舶遇到較大的波浪沖擊時(shí)，波浪的反復(fù)交變作用將進(jìn)一步惡化船體變形和垂度的負(fù)面狀態(tài)，嚴(yán)重地不平衡載荷分布，影響整個(gè)船舶的航行安全。

2.2船體載荷

船舶在運(yùn)輸過(guò)程中會(huì)受到多種載荷的影響，如船體重量、海洋浮力、風(fēng)力、慣性力、物料壓力等，此外，在某些情況下可能會(huì)發(fā)生爆炸和沖擊等突然載荷。在船舶主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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)，抵消和分散不良荷載的影響，以保持船舶的整體荷載平衡。

3船舶主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相關(guān)問(wèn)題及對(duì)策

3.1縱橫向構(gòu)件

在船體主要部件的設(shè)計(jì)中，應(yīng)保證結(jié)構(gòu)的良好連續(xù)性，盡可能避免結(jié)構(gòu)缺陷或高度和截面的突變。通常情況下，主要部件可以設(shè)計(jì)成一個(gè)完整的閉環(huán)框架，框架上的接縫可以設(shè)計(jì)成具有一定半徑的圓角，以形成一個(gè)平滑、連續(xù)的船體支撐結(jié)構(gòu)。如果是縱向構(gòu)件，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)保證強(qiáng)度的連續(xù)性。單獨(dú)的縱向構(gòu)件直接關(guān)系到船體梁的整體縱向強(qiáng)度，布置時(shí)應(yīng)向端部延伸足夠的距離。特別是在貨艙的設(shè)計(jì)中，需要將貨艙縱艙壁上的幾個(gè)關(guān)鍵支撐構(gòu)件延伸到貨艙外，加強(qiáng)雙層殼體的處理。通常的方法是增加加勁肋和側(cè)向縱向桁架。

為保證船舶的整體縱向強(qiáng)度，建議散貨船頂、底艙采用高強(qiáng)度三角形箱形結(jié)構(gòu)，高強(qiáng)度雙層底結(jié)構(gòu)。單體散貨船在設(shè)計(jì)雙底貨艙高度時(shí)，不僅要考慮總布置要求，而且要滿足規(guī)范中對(duì)普通貨船的設(shè)計(jì)要求。散貨船的雙層底一般為縱向框架結(jié)構(gòu)。在客艙部分，建議設(shè)置主筋板，主筋板可設(shè)置在其他各筋位。如果肋骨位置在主機(jī)座和鍋爐座的底部以下，必須設(shè)置主筋板。距船首線0.2L范圍內(nèi)，每隔一個(gè)肋位可設(shè)置一根主肋，其它部位每隔三個(gè)或四個(gè)肋位可設(shè)置一根主肋。根據(jù)中國(guó)船級(jí)社的有關(guān)規(guī)定，主肋間距不應(yīng)超過(guò)3.6米，船體縱面需要設(shè)置龍骨，但目前大型散貨船大多由箱形龍骨代替。龍骨兩端應(yīng)設(shè)側(cè)龍骨。根據(jù)新版《船舶結(jié)構(gòu)通用規(guī)范》，相鄰兩龍骨間距應(yīng)大于4.6米，或大于船底一般加勁肋間距的5倍。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，可選用較小的一種。

3.2底邊艙結(jié)構(gòu)

船底側(cè)艙斜頂與雙層底內(nèi)地板的連接處可采用焊接接頭或弧形接頭。采用焊接方法時(shí)，側(cè)龍骨必須與傾斜屋面板對(duì)齊，從內(nèi)底板側(cè)龍骨伸出的部分不得大于5cm。如果加長(zhǎng)件太長(zhǎng)，在橫向框架上的扇形補(bǔ)片的后續(xù)焊接中會(huì)出現(xiàn)一些問(wèn)題。同時(shí)，內(nèi)底板突出部分的端部應(yīng)設(shè)計(jì)成圓形，構(gòu)件必須焊穿。

船舶貨艙底側(cè)艙斜頂采用縱向骨架結(jié)構(gòu)，船側(cè)與底艙連接處的彎曲部分無(wú)特殊要求。橫骨架和縱骨架結(jié)構(gòu)都可以使用，但一般以橫骨架和縱骨架結(jié)構(gòu)為主。

船底側(cè)艙的斜頂和內(nèi)底應(yīng)保持45至50度角。在肋板處應(yīng)設(shè)置一個(gè)堅(jiān)固的橫向框架，以支撐縱向骨。同時(shí)在框架上設(shè)置足夠大的通孔。通孔邊緣用扁鋼加固，扁鋼和縱骨用鋼筋加固。穿通孔的縱骨需要安裝一塊接地板，接地板和外側(cè)板。補(bǔ)丁的大小可以參考相關(guān)規(guī)范來(lái)確定。

3.3箱形中桁材

箱形中桁，俗稱箱形龍骨，可設(shè)置在散貨船雙底中線處代替普通龍骨。箱形龍骨由兩塊平行的水密側(cè)板、骨架材料、內(nèi)外底板等組成，通常采用箱形龍骨對(duì)管道系統(tǒng)進(jìn)行集中，防止管道直接通過(guò)貨艙，影響裝卸作業(yè)。通向箱龍骨的檢修孔應(yīng)安裝在機(jī)艙前端壁上，并安裝防水裝置，以便工作人員進(jìn)入箱龍骨進(jìn)行檢查活動(dòng)。同時(shí)在箱龍骨與開敞甲板之間設(shè)置應(yīng)急通道。箱型龍骨的側(cè)板厚度不應(yīng)小于水密肋板的側(cè)板厚度。為保證入塢后底縱桁能順利鋪設(shè)在橋墩上，兩側(cè)板間距應(yīng)控制在2米以下，同時(shí)考慮到橫向強(qiáng)度減弱，箱龍骨底、內(nèi)底應(yīng)稍加增加，以提高整體穩(wěn)定性。強(qiáng)壯。橫框可以代替箱龍骨上的肋板，而船底部的環(huán)框或橫框可以作為骨架。肋與筋板可采用搭接，搭接長(zhǎng)度至少為肋高的5/4倍，以保證力的均勻傳遞。

3.4構(gòu)件連接

“在船體結(jié)構(gòu)的高應(yīng)力區(qū)域處，構(gòu)件連接部位的應(yīng)力集中是產(chǎn)生船體結(jié)構(gòu)疲勞損壞的主要因素”。因此，在船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分注意構(gòu)件連接部位的設(shè)計(jì)，并通過(guò)疲勞強(qiáng)度校核，改進(jìn)結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)，以保證船體結(jié)構(gòu)中受交變載荷作用的構(gòu)件有足夠的疲勞壽命。

3.4.1單體散貨船的貨艙通常為橫向框架式，每個(gè)肋骨位置都有主肋。每根肋的上下兩端用肘與底艙和頂艙連接。其理論線應(yīng)與艙內(nèi)相關(guān)部件的理論線對(duì)齊。肘板端部應(yīng)設(shè)計(jì)為軟趾，以減少結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)處的應(yīng)力集中和疲勞累積損傷。肘板的傾斜長(zhǎng)度應(yīng)大于或等于面板寬度的2.5倍。肋骨與肘部的連接可以對(duì)接或搭接。研磨時(shí)，研磨長(zhǎng)度應(yīng)大于或等于肋骨高度的1.25倍。

3.4.2縱向強(qiáng)構(gòu)件不連續(xù)后應(yīng)進(jìn)行有效過(guò)渡。為了保證主要縱向構(gòu)件的連續(xù)性，避免截面或高度的突變，避免構(gòu)件不連續(xù)引起應(yīng)力集中，應(yīng)更好地考慮底側(cè)艙、頂側(cè)艙頭和尾部結(jié)構(gòu)的連續(xù)性。

3.4.3構(gòu)件?？吭谂摫趦蓚?cè)或其他主要構(gòu)件上時(shí)，應(yīng)位于同一直線上。如果縱向桁架與橫向艙壁連接，則應(yīng)連接彎管或采取其他等效措施。側(cè)縱桁與強(qiáng)肋連接處，側(cè)縱桁板或翼緣應(yīng)具有足夠的連續(xù)性，如甲板縱桁端部與橫艙壁的連接應(yīng)符合規(guī)范要求。在參與總縱向強(qiáng)度時(shí)，應(yīng)特別注意橫向艙壁處甲板桁架的縱向連續(xù)性。

結(jié)語(yǔ)

船舶主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一項(xiàng)高度科學(xué)的工作，也是一個(gè)動(dòng)態(tài)優(yōu)化和不斷改進(jìn)的過(guò)程。在堅(jiān)持相關(guān)設(shè)計(jì)原則的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)人員應(yīng)不斷優(yōu)化和調(diào)整結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以保證船體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，同時(shí)盡量減輕船體重量，提高航運(yùn)經(jīng)濟(jì)性，充分發(fā)揮船舶的性能。

參考文獻(xiàn)

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[2]劉曉波.正確應(yīng)用規(guī)范提高船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水平[J].中國(guó)水運(yùn).2006（07）

（作者單位：大連中遠(yuǎn)海運(yùn)重工有限公司）