關(guān)于船體詳細(xì)設(shè)計中工藝性優(yōu)化的思考

姚天傳，陳 鋅

（廣東中遠(yuǎn)海運重工有限公司，東莞 523146）

1 前言

在船舶市場的激烈競爭下，降低建造成本已成為各大船企面對的重大問題。詳細(xì)設(shè)計對后續(xù)的生產(chǎn)設(shè)計起決定性作用，如何在詳細(xì)設(shè)計階段降低生產(chǎn)成本成為十分重要的課題。在詳細(xì)設(shè)計階段進(jìn)行生產(chǎn)工藝性優(yōu)化，對于后期成本控制能起到較大作用。

船體結(jié)構(gòu)設(shè)計一般主要考慮下列幾個方面的內(nèi)容：船舶檢驗、入級的法律、規(guī)范；船舶功能性需求；總體及局部強度；力的傳遞連續(xù)性；生產(chǎn)要求及船東要求等。

船體詳細(xì)設(shè)計首先要考慮的是安全性、力傳遞的連續(xù)性，同時考慮其他專業(yè)的功能性需求。此外，如果能進(jìn)一步考慮后續(xù)生產(chǎn)的工藝性，將為企業(yè)節(jié)約大量成本。相反，如果詳細(xì)設(shè)計一旦經(jīng)船東、船檢審查完畢，則后續(xù)生產(chǎn)設(shè)計階段要進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化難度較大，因此在保證強度、功能性同時，如何能降低施工量、焊接量、結(jié)構(gòu)重量，對詳細(xì)設(shè)計師的綜合能力提出了更高的要求。

2 船體詳細(xì)設(shè)計中工藝性優(yōu)化的思考

2.1 折角形梁拱設(shè)計

考慮到船舶主甲板面能及時把上浪海水排出，主甲板面一般設(shè)置有一定梁拱。通常，梁拱一般為選用拋物線形梁拱，反面每根縱骨的安裝角度都不一樣，而且互相之間安裝角度相差極小，這種設(shè)計為現(xiàn)場裝配增加了工作量；如果能將甲板面設(shè)計為折角梁拱，同樣能保證迅速排出甲板面上積水，而縱骨安裝角度得到了統(tǒng)一，生產(chǎn)現(xiàn)場僅需要制作一個標(biāo)準(zhǔn)樣角就能完成所有縱骨定位工作，大大提升生產(chǎn)效率；同時在船舶首尾線型收窄位置，拋物線形梁拱的甲板板材常常需要進(jìn)行冷熱彎板加工，而折角形梁拱則完全不需要加工；對于一些特殊功能船舶（如地質(zhì)調(diào)查船、挖泥船等），在甲板面布置有大量設(shè)備，這些設(shè)備基座都需要在甲板面上精確定位。如果采用拋物線形梁拱，則基座下口也必須采用拋物線甚至不得不設(shè)計為相貫線，如果考慮船體舷弧則制造難度將進(jìn)一步增加。對此，目前船廠常采用添加一定余量、現(xiàn)場修割下口擬合的辦法，增加了成本，而采用折角形梁拱設(shè)計能避免上述問題。

2.2 肘板形式優(yōu)選

肘板是保證力傳遞連續(xù)性的重要構(gòu)件。中國船級社《鋼制海船入級規(guī)范》中，對于中內(nèi)龍骨肘板的要求：（1）將中內(nèi)龍骨的腹板在1個肋距內(nèi)逐漸升高至艙壁處，該處高度應(yīng)為原高度的1.5 倍；中內(nèi)龍骨的面板應(yīng)延伸至艙壁，并與之焊接，如圖1所示；（2）用有面板或折邊的肘板與艙壁連接，肘板的高度和長度應(yīng)等于中內(nèi)龍骨的高度。此時，中內(nèi)龍骨面板不可與艙壁焊接；肘板厚度應(yīng)與中內(nèi)龍骨腹板厚度相同，如圖2 所示。

圖1 內(nèi)龍骨升高

圖2 內(nèi)龍骨肘板

以上規(guī)范要求為詳細(xì)設(shè)計階段優(yōu)化肘板形式提供了理論支持。如采用圖1設(shè)計方案放大端部時，省去了焊接肘板及肘板面板的焊接工作量，節(jié)約了建造成本。

2.3 避免狹小空間

某些船型布置緊湊、小艙室多，要求詳細(xì)設(shè)計階段盡可能考慮施工便利性，避免出現(xiàn)難以焊接、人員難以進(jìn)入的空間狹小。比如某型集裝箱船在立柱端部形成了狹小空間，使立柱端部反面加強材無法安裝（見圖3）。因此在實際施工階段將周界T 型桁材全部延后至大組散裝，施工方付出了大量精力。如果詳細(xì)設(shè)計時能將立柱端部部分放大，兩側(cè)面板均對齊下方T型桁材則可以取消背面加強，規(guī)避狹小空間問題。

圖3 某型集裝箱船支撐立柱端部形成狹小空間

2.4 合理選用間斷焊

間斷焊是一項既能滿足船體強度，又能減少焊接成本的重要工藝。間斷焊常見于上層建筑以及甲板室區(qū)域，對適用的區(qū)域要求較嚴(yán)格，要求詳細(xì)設(shè)計階段對規(guī)范有綜合把握，盡早明確間斷焊適用范圍并征得船東、船檢認(rèn)可，最后在船體焊接規(guī)格表中加以清晰表述。

以下是某型船的間斷焊焊接要求：

（1）圖紙中表明5.5-80Z120 范圍為間斷焊，按照節(jié)點圖施工（見圖4）；

（2）艙壁、肘板、T 型材及型材端部的的焊接，均為雙面連續(xù)焊；

（3）上層建筑和甲板室間斷焊適用范圍為：扶強材與內(nèi)圍壁(潮濕區(qū)域和煙囪區(qū)域之外）；

（4）內(nèi)圍壁區(qū)域T 型材下方的型材焊接為雙面連續(xù)焊；

（5）內(nèi)圍壁區(qū)域規(guī)格大于區(qū)域內(nèi)一般加強筋的型材焊接為雙面連續(xù)焊；

（6）內(nèi)圍壁區(qū)域的門孔、窗孔及其他較大的開孔周界的型材焊接為雙面連續(xù)焊。

圖4 某型船間斷焊節(jié)點

2.5 減少焊接工作量

在詳細(xì)設(shè)計階段，通過優(yōu)化部分計節(jié)點可以減少焊接工作量。如某型散貨船，貨艙區(qū)域底邊艙斜板與內(nèi)底板的折角焊、縱桁的角焊縫位置，如圖5所示。此節(jié)點要求：底邊艙斜板、內(nèi)底板、縱桁三塊大板架板厚中心線一一對齊，精度控制要求非常高；底邊艙斜板與內(nèi)底板、縱桁與內(nèi)底板之間的角焊縫為全焊透，焊前需要進(jìn)行檢驗，焊接后還需要無損檢驗；實肋板上需要開槽以便通過內(nèi)底板飛邊。采用此節(jié)點不僅裝焊工作量大，且無法應(yīng)用高效焊接方式，同時還增加了無損檢測的時間和費用。

經(jīng)過優(yōu)化詳細(xì)設(shè)計，將底邊艙斜板與內(nèi)底板設(shè)計為一體，折角處連接形式由原來角接改為壓折（見圖6）。優(yōu)化后的節(jié)點：不再要求底邊艙斜板、內(nèi)底板、縱桁三塊大板架板厚中心線一一對齊；底邊艙斜板與內(nèi)底板的焊縫直接取消；縱桁與內(nèi)底板之間的角焊縫不再要求全焊透，也無需無損檢驗；取消實肋板開槽，改為軟件直接拓補壓折板架，數(shù)控下料階段直接成形。

圖5 某型散貨船底邊柜折角處

圖6 優(yōu)化后的節(jié)點

經(jīng)過上述優(yōu)化，既保證了船體強度，又優(yōu)化貨艙區(qū)域數(shù)百米的全焊透角焊縫，節(jié)約了大量成本；在折彎位置旁邊的拼板焊縫，可以在平地上預(yù)先焊接，改善了施工條件，提前了焊接時機，贏得了采用埋弧自動焊、混合焊（二氧化碳焊打底、埋弧自動焊蓋面）的操作條件。該優(yōu)化方案分別送船東、船檢處審查，均一次性通過。

2.6 減少板厚材質(zhì)種類

在詳細(xì)設(shè)計階段，通常是先求出構(gòu)件所需要的剖面模數(shù)等技術(shù)參數(shù)，再通過查詢型鋼表、計算T 型桁材截面特性等工作，最后確定所選用的構(gòu)件。普通鋼與高強鋼在部分船級社規(guī)范表述為換算系數(shù)的關(guān)系，隨著近年來構(gòu)件疲勞計算理論的豐富，規(guī)范中對船體選用高強材質(zhì)的限制也逐漸增加，設(shè)計人員必須在各種因素下進(jìn)行綜合考慮。在諸多限制下，板厚、材質(zhì)的選用常展現(xiàn)為多種板厚、多種材質(zhì)，這為船廠材料訂貨、材料管理帶來了巨大的工作量。在詳細(xì)設(shè)計過程中，在條件允許的情況下應(yīng)將合適的材料進(jìn)行替代，減少選用的板厚、材質(zhì)種類；另外，還需要重點關(guān)注特殊的板厚、材質(zhì)的選用，這類材料使用量較小、價格高、到貨周期長，因此特殊材質(zhì)的使用應(yīng)更加慎重；在詳細(xì)設(shè)計階段，進(jìn)行構(gòu)件尺寸修改以及板厚、材質(zhì)變更，需要正式提交船檢、船東并取得認(rèn)可。

2.7 優(yōu)化下加強及基座設(shè)計

下加強及基座設(shè)計，首先應(yīng)保證局部強度、力的傳遞連續(xù)，還要綜合考慮設(shè)備布置、甲板下強構(gòu)件布置：設(shè)備地腳力求落在正肋位、縱骨位上，這樣下加強的數(shù)量將大大降低；基座設(shè)計時，基座面板常由設(shè)備需求決定，但基座面板下與主甲板之間的連接腹板應(yīng)盡可能落在正肋骨、縱骨位置上。通過上述優(yōu)化，能有效減少結(jié)構(gòu)加強數(shù)量及船體結(jié)構(gòu)重量。

3 小結(jié)

在進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計時一定要樹立成本意識，將節(jié)約材料、降低焊縫長度、保證合理的施工空間等問題進(jìn)行綜合考慮。通過優(yōu)化工藝對節(jié)約成本的意義重大，需要不斷進(jìn)行修改并且螺旋式前進(jìn)。隨著船舶市場對設(shè)計要求的不斷提升，設(shè)計人員的綜合能力將面臨更多考驗。以上是筆者在從事詳細(xì)設(shè)計工作中的一些思考，希望能為船舶企業(yè)節(jié)約建造成本、提升競爭力有所幫助。