船體結(jié)構(gòu)設(shè)計和重量控制的重要性

張傳論 曾憲博

摘 要：在造船市場不景氣的前提下，如何降本增效，有效的控制船舶設(shè)計和建造重量，目前仍是一個值得研究的課題。設(shè)計過程中重量控制不到位，不但影響船舶總體性能、增加建造成本，嚴(yán)重的還會影響船舶使用安全和交船。所以探討和分析結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化和重量控制具有一定的實際意義。

關(guān)鍵詞：成本控制；重量控制；設(shè)計優(yōu)化

1、引言

目前造船市場不景氣，尤其是海工市場，訂單少部分訂單生效后還存在船東棄單或者推遲交付等風(fēng)險，即便有的項目能交付，在設(shè)計和建造過程中也存在比以往更多，更苛刻的審核意見，這就給建造計劃的正常履行，成本和重量的控制增加了很大的難度。同時也對船舶的總體性能造成不利的影響，比如重量增加、穩(wěn)性降低等。下面我們重點說下船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計和重量控制在設(shè)計和建造過程中的重要作用。

2、結(jié)構(gòu)優(yōu)化和重量控制

2.1重量控制的目的

重量控制是控制船舶在設(shè)計建造過程中的輕船重量和重心位置，使其在保證安全的前提下，滿足船舶總體性能，盡可能的降低成本。

2.2空船重量內(nèi)容

空船重量包含1）船體結(jié)構(gòu)2）設(shè)備和舾裝件3）船用備件4）管道。

2.3控制階段

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

2.4結(jié)構(gòu)優(yōu)化

結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計主要分為1）構(gòu)件尺寸優(yōu)化2）形狀優(yōu)化3）拓?fù)鋬?yōu)化。其中尺寸優(yōu)化是結(jié)構(gòu)優(yōu)化中的最低層次，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，如修改筋端部連接樣式、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，即對結(jié)構(gòu)布局進(jìn)行優(yōu)化，比如根據(jù)區(qū)域特點選用橫骨架結(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算機(jī)輔助下完成。

3、實例分析

以我參與的一個鋪管起重船項目為例，主要分析下結(jié)構(gòu)詳細(xì)設(shè)計階段對重量控制的重要性。項目簡稱為E項目。

3.1 E項目簡要概況

3.1.1項目主要參數(shù)

船長215.88m，型寬49m，型深22.4m，設(shè)計吃水11.8m

3.1.2 項目主要功能

E項目是我參與的一艏具有鋪管起重能力的海工船項目，具備主起重機(jī)5000噸40米全回轉(zhuǎn)、S-LAY+J-LAY鋪管，DP3定位能力。

3.2 E項目重量控制

3.2.1 E項目重量控制介紹

此項目船用設(shè)備、鋪管設(shè)備較多、系統(tǒng)較一般的商船復(fù)雜，這從一定程度上對設(shè)計管理和項目管理增加很大難度。這個項目從初期的基本設(shè)計到詳細(xì)設(shè)計，重量控制經(jīng)歷了重量不斷增加，重心高度不斷增加到重量和重心通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化減少到可控范圍的過程。

3.2.2 E項目重量控制方法介紹

E項目重量控制在項目執(zhí)行過程中主要采用以下方式（1）設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的重量控制表格模板，用來管理重量變化和重心位置變化。（2）將船舶按不同的專業(yè)劃分，分別統(tǒng)計重量和重心（3）指定專門的工程師管理統(tǒng)計各專業(yè)的重量和重心數(shù)據(jù)（4）對比初始設(shè)計，對重量和重心變化較大的部分進(jìn)行標(biāo)記（5）任何新增加、刪除、修改的數(shù)據(jù)都要更新在控制表中（6）管子、電纜、舾裝、通風(fēng)部分重量和重心在生產(chǎn)設(shè)計階段統(tǒng)計完成（7）每月生成一份重量控制報告，報告中要重點分析重量和重心變化超過2%的部分的原因。

3.2.3 E項目重量控制超標(biāo)原因分析

E項目在造船和海工不景氣的大環(huán)境下，船東對設(shè)計指標(biāo)和圖紙的審核意見多，有的設(shè)計方案經(jīng)過多達(dá)5次的修改，直到詳細(xì)設(shè)計結(jié)束重量控制報告共有4個更新版本，詳細(xì)數(shù)據(jù)見表1

從上表可以明顯看出，詳細(xì)設(shè)計進(jìn)行到一定程度后，B版本的重量及重心較初始設(shè)計明顯增加，重量增加約4000噸，重心Z方向增加1.25米。此時的重量超標(biāo)已經(jīng)嚴(yán)重影響甲板鋪管區(qū)的載貨量。經(jīng)分析重量增加主要原因是OFE（Owner Furnished Equipment）設(shè)備重量的增加和船東額外要求造成的結(jié)構(gòu)重量的增加。

3.3 E設(shè)計優(yōu)化

設(shè)備一旦定型，重量將無法優(yōu)化，為滿足船舶整體性能指標(biāo)，我們只能通過船體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化對基本設(shè)計和詳細(xì)設(shè)計做出新的評估和改進(jìn)。通過對結(jié)構(gòu)圖紙的初步分析，按照規(guī)范對船體結(jié)構(gòu)板材、型材等結(jié)構(gòu)進(jìn)行計算，經(jīng)FEA驗證，部分構(gòu)件尺寸和布置做以下優(yōu)化

（1）上建區(qū)域甲板和內(nèi)艙壁板厚從8.0mm減小到6.0mm。

（2）上建內(nèi)艙壁加強(qiáng)型材采用HP 100X6代替原有的HP 140X7，總體上可以減少約1850噸。

（3）干舷甲板下的主肋位板厚從14.0mm減小至10.0mm，經(jīng)FEA校核優(yōu)化后滿足規(guī)范要求，可節(jié)約90噸。

（4）局部采用高強(qiáng)度鋼替代普通鋼。為避免疲勞不滿足技術(shù)要求，將采用局部高強(qiáng)度鋼替換原普通鋼， 經(jīng)分析重量可減少約277噸，其中艉部約37噸，舯部約97噸，艏部約35噸，外板約108噸。

（5）上建區(qū)域橫梁和縱梁優(yōu)化

上建區(qū)域通過采用增加柱子和減少橫梁、縱梁構(gòu)件尺寸等優(yōu)化方式，在滿足船級社規(guī)范和FEA校核的前提下可減少重量約690噸，詳細(xì)見表2

（6）鋪管區(qū)甲板厚度從14mm優(yōu)化為12mm，剖面模數(shù)和甲板變形量以及強(qiáng)度變化看僅在4.5%，而且滿足規(guī)范和技術(shù)規(guī)格書要求，重量可減少約77噸。

（7）優(yōu)化重量匯總

結(jié)構(gòu)設(shè)計通過板厚減小、材質(zhì)升級、布置優(yōu)化等方案，累計可減少約2980噸，從一定程度上降低了重量增加對船舶性能的影響。

4 結(jié)論

重量控制是船舶設(shè)計和建造過程中一項非常重要的工作，隨著設(shè)計的深入，設(shè)備的制造、船東意見的不斷融入以及現(xiàn)場建造的不斷推進(jìn)，重量和重心隨時都在變化，設(shè)計前期的余量也會不斷減小，如何做好每個階段的有效控制和管理，在不影響船舶性能、建造計劃和交船期的前提下做出一艏既滿足客戶需求，符合船級社規(guī)范、法規(guī)又經(jīng)濟(jì)的船舶，仍是我們值得去不斷研究和探討的課題。

隨著計算機(jī)水平的不斷發(fā)展和在船舶設(shè)計建造領(lǐng)域的應(yīng)用，船舶結(jié)構(gòu)選材、布置的優(yōu)化以及重量的有效控制會有一個大的進(jìn)步，我們作為設(shè)計工程師，我們應(yīng)該清醒的認(rèn)識到計算機(jī)輔助只是一種工具，更重要的是要不斷提高我們設(shè)計人員的成本意識、優(yōu)化觀念和理論程度，同時再配合有效的項目管理和質(zhì)量管理，才能使船舶建造提高到一個新的水平。

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[4]船舶設(shè)計實用手冊（第三版），結(jié)構(gòu)分冊.

作者簡介：

張傳論（1982-11）、男，山東省東阿縣、上海振華重工（集團(tuán)）股份有限公司-船體工程師、工學(xué)學(xué)士、船體結(jié)構(gòu)及總體性能方向。

曾憲博（1983-2）、男、湖北省潛江市、上海振華重工（集團(tuán)）股份有限公司-船體工程師、工學(xué)學(xué)士、理學(xué)學(xué)士、船體結(jié)構(gòu)及總體性能方向。