淺論基于船舶與海洋工程的船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

趙博

摘 要：船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是近年來我國(guó)自主研發(fā)的項(xiàng)目之一，依靠先進(jìn)的建造理論和國(guó)內(nèi)外的設(shè)計(jì)實(shí)例，結(jié)合日漸發(fā)展的信息技術(shù)能夠通過立體、綜合的方式展現(xiàn)設(shè)計(jì)觀念和結(jié)構(gòu)，本文對(duì)船舶與海洋工程專業(yè)船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了闡述。

關(guān)鍵詞：船舶與海洋工程；船體；結(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì)

近年來，我國(guó)船舶制造業(yè)發(fā)展迅速，且為促進(jìn)水路運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展提供了有力的交通工具支持，作為船舶制造的一項(xiàng)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅關(guān)系著船舶的整體建造質(zhì)量，而且對(duì)于船舶建造業(yè)與水路運(yùn)輸業(yè)的雙重發(fā)展也具有重要影響。

一、船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)理念及要求

1.船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)理念

對(duì)船體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)理念進(jìn)行分析，可以將其結(jié)構(gòu)中的內(nèi)容進(jìn)行展開分析，首先是從船體建造的工作總量來看，船體結(jié)構(gòu)就占據(jù)著總工程量的二分之一，在一般情況下，它是多工種參與的綜合性工作，因此，在船體的設(shè)計(jì)中，與其他專業(yè)之間的關(guān)系也十分密切，在建造之前要做好充分準(zhǔn)備，一方面是把船體結(jié)構(gòu)中各種施工具體的條件進(jìn)行確認(rèn)，然后再結(jié)合工廠的實(shí)際情況而制定出合適的建造方案以及施工要點(diǎn)，同時(shí)繪制出船體建造圖紙；另一方面是與管理人員進(jìn)行協(xié)商協(xié)調(diào)，針對(duì)管理造船的具體過程加以管理，其中的內(nèi)容主要分為四個(gè)不同點(diǎn)，即圖紙?jiān)O(shè)計(jì)、輔助設(shè)計(jì)、準(zhǔn)備工作階段、以及管理施工工作。

2.船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)要求

船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要以使用性能為參考，在保證安全性能的前提下，進(jìn)一步美化外觀。船只的安全航行是一切利益的保證，船體的穩(wěn)固是設(shè)計(jì)的核心理念，結(jié)構(gòu)建構(gòu)要符合力學(xué)原理，參考實(shí)際的航海條件，充分考慮天氣、水文因素的影響，能夠應(yīng)對(duì)出航線路中的極端天氣，結(jié)構(gòu)承重性要有保證，外形設(shè)計(jì)也要配合航行的動(dòng)力要求，設(shè)計(jì)船體時(shí)要綜合多方面經(jīng)驗(yàn)，合理構(gòu)建、計(jì)算，科學(xué)設(shè)計(jì)。

結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的進(jìn)一步要求是建造技術(shù)水平要配合設(shè)計(jì)要求。建造時(shí)要充分考慮設(shè)計(jì)參考材料的性能，例如，板材的使用要能適應(yīng)船體設(shè)計(jì)的彎曲度，過厚或者過薄都不能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)預(yù)期。不能為節(jié)約成本而以次充好影響質(zhì)量。

實(shí)用性是設(shè)計(jì)角度必須納入?yún)⒖俭w系的問題，船體、船艙、甲板等設(shè)計(jì)要根據(jù)實(shí)際的裝載要求合理設(shè)計(jì)，既能容納預(yù)計(jì)的人員或貨物，同時(shí)也要考慮安全舒適度。

二、船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容

設(shè)計(jì)船體的基本工作包括：確定初步的結(jié)構(gòu)方法、按照預(yù)算和設(shè)計(jì)要求提供使用材料的型號(hào)報(bào)告、上報(bào)船體合成技術(shù)?；镜脑O(shè)計(jì)理念是實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性，采用承重性好的板材，同時(shí)要考慮其重量的限制條件，可以考慮采用輕便節(jié)約的新型的合成板材?；镜脑O(shè)計(jì)步驟按照規(guī)劃過程可分為基本的設(shè)計(jì)、細(xì)節(jié)的規(guī)劃和生產(chǎn)技術(shù)要求，分階段實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)。

1.初步設(shè)計(jì)。初步的規(guī)劃是根據(jù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)要求對(duì)設(shè)計(jì)任務(wù)進(jìn)行框架性的建構(gòu)，建立基本的圖紙預(yù)想稿，根據(jù)預(yù)案和設(shè)計(jì)技術(shù)要求對(duì)材料、部件的型號(hào)和用度建立預(yù)算方案并形成預(yù)算報(bào)告，對(duì)船體的大小、結(jié)構(gòu)方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.詳細(xì)設(shè)計(jì)。前期的設(shè)計(jì)是框架性的大體預(yù)想，細(xì)節(jié)的設(shè)計(jì)要依照相關(guān)的審批意見作出調(diào)整，充分考慮到建造過程細(xì)節(jié)，再次確定各構(gòu)件的型號(hào)、材質(zhì)，形成符合設(shè)計(jì)要求的較為系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，繪圖后連和設(shè)計(jì)方案闡釋交由審批部門。

3.生產(chǎn)設(shè)計(jì)。這主要是對(duì)船體設(shè)計(jì)中將方案付諸實(shí)踐的過程，即就是生產(chǎn)要求，以及在施工中所需要使用的材料和注意事項(xiàng)，從而使得材料能夠在施工詳細(xì)解釋中符合設(shè)計(jì)的圖紙以及施工方案。

三、船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程

船體結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)之初是分體分段的細(xì)致設(shè)計(jì)，有多重部件組合而成，一體化的設(shè)計(jì)在目前的技術(shù)水平限制下很難實(shí)現(xiàn)預(yù)想，并且容易出現(xiàn)局部的設(shè)計(jì)缺陷。分結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)雖然要考慮組合、連接的實(shí)際問題，但易于設(shè)計(jì)和建造，小規(guī)模的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、檢驗(yàn)更容易實(shí)施。船體分段設(shè)計(jì)時(shí)是將結(jié)構(gòu)分解為有機(jī)聯(lián)系的幾部分，根據(jù)實(shí)際的首、尾或者上、下的結(jié)構(gòu)進(jìn)行拆分，分組設(shè)計(jì)建構(gòu)，同時(shí)要考慮到組合后的一體性，在設(shè)計(jì)分組拆分時(shí)要做好統(tǒng)籌工作，考慮到后期組裝工作的各個(gè)細(xì)節(jié)。

船體的負(fù)荷性能與船體的構(gòu)造、材料、重量的內(nèi)部性能有關(guān)，同時(shí)還受到海上條件的負(fù)面影響。而船體自身的質(zhì)量是關(guān)鍵的因素，在設(shè)計(jì)規(guī)劃中船體結(jié)構(gòu)需要進(jìn)一步的銜接、加工，其質(zhì)量、結(jié)構(gòu)也是動(dòng)態(tài)變化的過程，載荷能力的測(cè)算是過程性的計(jì)算，需要通過系統(tǒng)的信息整合實(shí)現(xiàn)最終的承重估計(jì)，并且要充分考慮到航行條件的限制。

四、船體結(jié)構(gòu)形式

船體結(jié)構(gòu)的基本方式是板和型材的組合，又稱板架結(jié)構(gòu)。根據(jù)結(jié)構(gòu)所處的位置和做用，人為的把他們分成若干板架，如船底板架，甲板板架，舷側(cè)板架和艙壁板架。由船體梁分析可知，甲板和船底板架相當(dāng)船體梁的上下冀板，舷側(cè)板架相當(dāng)船體梁的腹板，他們的做用不同，骨架排列方式也不一樣，通常分成縱骨架式和橫骨架式結(jié)構(gòu)。

大型的船舶設(shè)計(jì)要根據(jù)實(shí)際的承重要求調(diào)整相關(guān)的架構(gòu)方式。甲板和底部的設(shè)計(jì)可采用縱向的承重骨架，通過支撐力增加船體的安全性能，板材也要滿足基本的受力要求，同時(shí)要考慮極端條件下的承重上限、船舷應(yīng)根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)橫向的結(jié)構(gòu)，保證受力均勻、載重性能好，橫向的設(shè)計(jì)另一優(yōu)點(diǎn)是占用空間小，能夠?yàn)榇w設(shè)計(jì)提供更大的艙容。

在縱向結(jié)構(gòu)的裝配過程中，有較多的縱向構(gòu)件要穿越橫向構(gòu)件，在分段合攏時(shí)，縱向構(gòu)件的接口較多，這些都使得縱骨架式結(jié)構(gòu)裝配比較困難，所以有些情況下，即使甲板和船底也采用橫骨架式結(jié)構(gòu)。

對(duì)于干貨船，上甲板宜于采用橫骨架式結(jié)構(gòu)的情況是：

1.船長(zhǎng)小于10米時(shí)；船長(zhǎng)在10米至130米以內(nèi)L/D小于12；總彎矩比較小，中刨面模數(shù)要求值比較小，局部強(qiáng)度條件成為主要的。

2.上甲板經(jīng)常放置貨物，因而橫向載荷較大，如果采用縱骨架式結(jié)構(gòu)，較大的橫梁會(huì)影響艙容。

對(duì)于船底宜采用橫骨架式結(jié)構(gòu)的情況是：（1）船長(zhǎng)小于10米，L/D小于12時(shí)，船底外板的厚度不是由強(qiáng)度條件來決定，而是由銹蝕磨損來控制。（2）船的中垂彎矩遠(yuǎn)大于中拱彎矩。（3）船底易于擱淺，或艙內(nèi)用抓斗起貨而艙底無護(hù)板時(shí)，船底板厚度主要由磨損來決定。

舷側(cè)結(jié)構(gòu)型式，由橫艙壁間距和甲板到艙底距離而定。一般垂向距離較小宜采用橫骨架式，這對(duì)冰區(qū)航行尤為重要。丹東地區(qū)冬季常有漂浮冰排，船舶舷側(cè)結(jié)構(gòu)骨架型式就要考慮這一因素。

五、結(jié)構(gòu)鋼材的選擇

船體材料從承重和航行條件的要求下，多采用結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的鋼結(jié)構(gòu)，具體的設(shè)計(jì)還要配合不同性質(zhì)的材料，輕便、結(jié)合性好的鋁材料、混凝土等都可以是配合的材料、鋼結(jié)構(gòu)是設(shè)計(jì)主體，在保證其質(zhì)量和性能的前提下，要考慮使用質(zhì)量輕、易聯(lián)合的材料，以滿足復(fù)雜的設(shè)計(jì)工藝要求，多重材料的組合不僅滿足技術(shù)要求，還能最大限度地節(jié)省鋼材料，減少費(fèi)用預(yù)算。材料的使用要滿足結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和航行的安全，充分考慮海水等外在條件的影響。小型的船只設(shè)計(jì)要采用穩(wěn)定強(qiáng)的橫式機(jī)構(gòu)，并加大板材的厚度，以滿足基本的安全航行要求。大型船舶設(shè)計(jì)要考慮減輕材料的重量以控制船體的質(zhì)量，滿足航行、貨運(yùn)等承重。

六、結(jié)語

綜上所述，船體結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)設(shè)計(jì)需要緊緊圍繞一個(gè)科學(xué)合理的理念，本文中所論述的各種不同情況，堅(jiān)持做到根據(jù)船體設(shè)計(jì)、管理以及工藝的現(xiàn)場(chǎng)而展開，從而為船體的設(shè)計(jì)提供了一個(gè)良好的指導(dǎo)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了船體設(shè)計(jì)質(zhì)量以及管理工作有效結(jié)合的目的，為船體結(jié)構(gòu)在建造中降低成本、提高效率和質(zhì)量。

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