船舶結構優(yōu)化的基本要求與設計方法

李曉利

（中船澄西船舶修造有限公司，江蘇 江陰214433）

0 引言

優(yōu)化船舶結構是為了提高船舶的力學性能、降低經濟成本、提升實用性能、增加工藝性能。優(yōu)化原則是找到更匹配的結構尺寸和結構的組合方式。降低經濟成本不是偷工減料，而是尋找更適合結構要求且價格經濟的替代品，優(yōu)化目標要建立在保證原有優(yōu)勢的基礎上，提高船舶結構的強度和剛度，確保其穩(wěn)定性，保證頻率等。計算機分析和仿真結合應用到船舶結構優(yōu)化設計上，優(yōu)化后的效果事半功倍。人工智能和專家系統(tǒng)技術結合應用到船舶的智能結構設計上，已取得突破性進展。

1 結構優(yōu)化設計方案

1.1 基于建造要求添加起重機

添加起重機并移動原起重機，新修改增加左舷建造在船尾右舷1/4處，共3臺起重機，地圖庫加固，根據起重機底座結構加固圖和加工圖之間的修改圖，原艉部結構、原結構、液壓伸縮式起重機、起重機建在中央總布置圖上，檢查液壓伸縮式起重機的加固結構，計算由MSC/Patran、MSC/Nastran處理。加固結構和相鄰船體結構由普通鋼制成。根據規(guī)范，對板單元中間平面的復合應力進行評價。粗格柵的許用應力為188 N/mm2，細格柵的許用應力為300 N/mm2。所有加固結構均根據起重機底座結構加固圖中所述的厚度進行建模。所有板、桁架、支架和骨料均采用板單元進行模擬，邊界條件在建模范圍和主甲板處得到簡單支撐，即3個自由度的位移受到約束。設備制造商提供的安裝接口上支撐力的最大傾覆力矩為540 kN、135 kN垂直荷載和68 kN旋轉力矩。同時，垂直荷載、旋轉力矩和傾覆力矩作用于底座的安裝界面。其中，垂直荷載方向為垂直向下；轉動力矩逆時針施加；傾覆力矩方向從0°～360°，每45°計算1個工況[1]。

考慮到甲板上浪后排水的要求，為方便操作和確保船員安全，船尾1 m高度的舷墻不作修改。根據經驗，右舷安裝鋼護舷，以防止船舶?？繒r發(fā)生碰撞。船舶檢驗審核優(yōu)化建議，檢驗部門根據中華人民共和國海事局、《國內航行船舶法定檢驗技術規(guī)則》（2020）、《中國船級社《國內航行船舶建造規(guī)則》（2018）及其修改通知，對結構設計的修改進行審查，提出措辭說明和安全通道，有限元計算應發(fā)布相關內容，例如：修改說明應盡可能完整，提交文件的內容應與說明一致，并應添加“修改”或“添加”等字樣加以區(qū)分，客艙名稱應統(tǒng)一、簡化。專業(yè)名稱的統(tǒng)一表述和正確引用明顯符合規(guī)定和規(guī)范。新主甲板上的處理室應配備至少2個逃生通道。主甲板上處理室的左舷艉是主要的人員通道，左舷艉是航運通道，也是應急人員通道。增加通往冰室的坡道。冰艙內有兩條人員通道，斜梯為主通道，直梯為應急通道。應清楚地反映起重機的具體位置，并擴大模型的橫向范圍。

以1艘鋼質、單甲板、單底、雙引擎、雙螺旋槳、柴油驅動的尾式冷水群育工業(yè)船為例，在中國近海航行區(qū)作業(yè)（冬季不在冰區(qū)航行），全長86.0 m，垂線間距81.1m，寬18.0 m，深度5.2 m，該船是2006年建造的甲板運輸船。十年后首次改裝，本次是在改裝后的基礎上二次改造。本次是為了改造捕撈加工系統(tǒng)的性能，想要實現深海冷水群養(yǎng)殖的鮭魚深度捕撈和初加工的自動化。為此，建造1個100 m2的大型加工室。捕撈是通過甲板起重機的后部設置了抽吸泵末端的吸管魚，魚通過抽吸泵將魚抓到中間的船上加工，加工后的自動加工設備，靠近包裝好的漁具，最后加工好的產品是通過起重機運輸到另一艘運輸船上的。左舷艉吊和新增右舷艉吊和側吊的有限元強度計算時間短，任務重。第一次改裝后，在主甲板下設置14個魚缸（1個備用魚缸）。在主甲板上設置飼料罐、顆粒飼料室和漁獲物倉庫，以便于喂食，并設置冷藏肉類倉庫和蔬菜倉庫，以滿足海上長期作業(yè)的材料要求。在左舷，從船尾到船首，有液壓泵室、顆粒飼料室（P）、加工室（預留）、魚類儲藏室、肉類儲藏室、蔬菜儲藏室和冷凝設備室。從船尾到船頭，有更衣室、魚類孵化室（預留）、顆粒飼料室、苗圃實驗室、監(jiān)控室和值班室、健身室和娛樂室、設備室，以及長甲板室的甲板結構布置（如圖1所示）。船體結構符合《中國船級社鋼質海船入級規(guī)定（2015年）》為適應海上貿易船舶設計的要求，船舶采用焊接結構，其中船用結構鋼級采用CCSA焊接材料，在一些特殊結構中，如主梁和板的主體、底板采用低氫焊條焊接等。該船為混合框架結構，改裝后的甲板室為橫向框架結構。船體結構主船體原2號儲冰艙設有冰艙，增設1050、3250平臺、切冰機及啟閉機，艙內設有兩條逃生通道，左舷樓梯開啟主甲板，主甲板加工間設直梯。將原1號儲罐改造為2600平臺的冰漿儲罐，布置冰漿系統(tǒng)。這間小屋是為偶爾出入作準備的，其中設置了一條通向主甲板的逃生通道。這次，是在原構件的使用基礎上改造的，恢復主甲板下方立柱的設置，讓構件保持連續(xù)性且盡可能減少動量和施工量，節(jié)省時間。在造船廠的施工中，當冰艙底部的內部組件打開時，冰艙的右舷管道影響1050平臺底板的焊接?？紤]到儲罐容量沒有受到影響，因此進行局部提升，以減少改造量。為便于冰蓋機的吊裝，根據實物在現場開工藝孔，并按圖紙所示原圖紙將開孔結構焊接牢固，以減少艙蓋設置，不妨礙通行。

1.2 堅持綠色低碳、數字化結構模式改革

2021以來，更詳細的集裝箱船設計進入關鍵階段，面對高鋼價的形勢，集裝箱船的目標，從多維推進船舶結構輕量化設計、零部件和合同設計、綜合推廣應用到多個項目的設計中，取得顯著成果。設計團隊建立涵蓋標準計算、客艙有限元和整船有限元的結構安全評估技術體系。通過多次迭代計算，“計算和精算靈活性”，可以最大限度地優(yōu)化和細化船體設計。團隊成員齊心協(xié)力開發(fā)、移植和推廣創(chuàng)新結構設計形式，包括大肋框架、混合橫隔板、艙蓋輕質支撐等。同時，深入開展結構簡化設計，并對艉板接頭數量和上部結構配筋布置進行優(yōu)化，有效減少結構件數量。通過實施上述優(yōu)化設計，在滿足船東對“添加”構件尺寸的特殊要求的同時，船體重量可減少約360 t，并可降低材料成本和施工成本。總結相關經驗，形成標準化設計指南，并在后續(xù)產品中全面移植推廣[2]。增加加工間，在改裝中，由于新的生產線，在主甲板前部增加一個封閉的加工室。所處魚缸供水管道和加工室的干擾位置也做了調整，移到了靠近艙口邊緣的右艙口處。想要對加工室（長甲板室）的通道加寬，是有嚴格要求的。采用π型鋼作為垂直桁架，并在主甲板下方對齊堅固的元件，以更好地傳遞力，并滿足規(guī)范要求。結構的改裝過程要與配合船廠，船東和船廠雙方技術交底，互相提交圖紙資料，幫助改造項目盡早完工。根據初步改造以后，再新增加一條生產線，用于配合檢驗改造后船舶的結構布局、是否符合規(guī)范要求等方面的研究工作。起重機的優(yōu)化改造要滿足新的標準規(guī)則，對后期的船舶建造和維護提供便利。船舶新生產線的檢驗功能是船舶優(yōu)化的過渡期，及時檢驗是為了高質量船舶設計改造任務。

比如，造船行業(yè)進行整體危險區(qū)劃分、防火分區(qū)；設計的整體結構特點是任務量大、設計復雜、用時久等。每個模塊的設計都要考慮船體結構的布局匹配度是否合理，因此提高設計效率是船舶整體設計的關鍵。骨架模型相當于是結構專業(yè)的定位信息，其他專業(yè)也會分別對應基本的船舶布局模型，骨架模型在此處起到尋找形狀信息的作用。整艘船按照一定的規(guī)則劃分為若干個區(qū)域，在基本布局模型上細化，又創(chuàng)建了船艙的艙室模型。在此階段，CATIA的繪圖功能可以輔助專業(yè)結構的二維設計。以初步重量估算、輔助二維設計、水動力性能和有限元建模為主要目標，以CATIA的功能和應用以及船舶初步設計的演示為例。同時，對殼體設計建模要素進行解釋，CATIA對線性變化更復雜、更嚴重的區(qū)域的建模效率更高。

在此階段，CATIA的繪圖功能可以輔助專業(yè)結構的二維設計。

1.3 添加支架，加固框架

檢查舊艙壁與水密艙壁，在保留原有結構的前提下，根據深槽板厚度的計算公式，研究發(fā)現液體密度、壓頭和材料系數均為固定常數，不能改變。我們能討論的唯一值是S值，即縱向骨間距。原始縱向骨骼之間的距離為846 mm。如果在2個舊縱向骨骼之間添加1個新縱向骨骼以將S值更改一半，則根據分析和計算，在2個舊的縱向骨之間添加1個新的縱向骨是可行的，舊的內板可以保留而不需要更換。舊的船舶縱向規(guī)范不能滿足新設計的要求，根據縱向規(guī)范的公式，發(fā)現縱向間距、密度[3]。因此，可以通過增加支架來滿足縱向骨的強度。如果通過在此處添加支架的方式仍不能滿足設計要求，如將舊船本身添加在雙支架中，有大支架或側邊，通過添加支架的方式可以減少右舷跨度值，然后可以在原來的2個堅固的框架之間再加一個堅固的新框架或堅固的肋，縱向跨度為1.6 m的一半。

比如，前后橫墻和縱墻應按照上述設計思路進行加固和改造，先對結構做荷載解，即對各種環(huán)境荷載進行計算和模擬，目的是為結構設計提供輸入。環(huán)境荷載包括波浪荷載、水流荷載和風荷載，是最復雜的波浪荷載之一。環(huán)境荷載確定后，下一步是結構整體響應分析，船體作為h型梁在水中彎曲，甲板和底部作為兩翼上下，縱向艙壁和側面作為梁腹板，這是等效梁法的圖例，靜水荷載效應的確定性就在其中，而波浪誘導統(tǒng)計，梁法的求解已經為經典的歐拉前人和蒂穆辛科前人鋪平一條平坦的道路。在整體響應分析之后，還對局部子結構進行響應分析，以確定船體模塊和主要部件的荷載效應。此外，我們還需要進一步確定荷載效應的極限值，即極限狀態(tài)分析。上述分析結果需要一個標準來評估它們是否滿足要求。該標準是針對不同情況選擇的適當結構可靠性約束表達式。以上是結構分析的一般過程。如果滿足約束條件，則證明結構可靠；否則，應優(yōu)化上述設計，更新尺寸，或修改梁的應力分布，直到滿足要求。

1.4 加強船舶運動響應預測和結構強度評估

如果用一句話來概括船體結構的研究內容，筆者認為是：船舶運動響應預測和結構強度評估，主要包括響應分析、強度分析和承載力分析。響應分析是結構在規(guī)定荷載大小和振型下的響應，屬于正問題?？梢越栌糜邢拊浖ぞ呓⒛Ｐ?，輸入載荷、工作條件、邊界條件，并輸出美麗的云圖。承載力分析是一個相反的問題，表明結構在哪種載荷模式下能承受多大的力，超過這個范圍就會失效，失效模式主要包括屈服、屈曲、疲勞以及碰撞撕裂和折疊。強度分析中的強度是指在特定載荷下，在特定條件下比較結構不變形或失效的能力。如果輸入荷載隨時間變化，則進入結構動力分析領域；如果載荷是周期性的，則進入結構振動和噪聲分析領域。

一般來說，主要尺寸不是由結構因素決定的，而是由更一般的條件決定的，如吃水、航道寬度和所需的艙室或甲板面積。結構設計師的重點是確定所有構件的尺寸、位置和間距。在詳細設計中，更詳細地確定局部結構的幾何形狀和尺寸，如支架、連接、開口和加固。無論船舶大小，結構部門發(fā)布的技術文件通常是相似的?？偲矫娌贾脠D和剖面圖確定后，結構可根據總平面布置圖和規(guī)范要求繪制基本結構圖和結構規(guī)范計算書。框架剖面圖可以根據剖面圖繪制，也可以從NAPA、MAXSURFsetrib等整體軟件中導出到CAD，確定基本結構和框架圖，可以繪制出橫隔板、橫截面圖和殼體膨脹圖，還需要繪制船基結構、首端圖、尾端柱圖、球鼻艏、艙底龍骨、軸封規(guī)范、黑色金屬板等。為滿足結構要求，繪制前還需要進行一些計算，包括總縱強度計算，板格、縱骨、板架和艙室的局部強度計算，總振動計算和局部振動計算?？傉駝拥挠嬎阍硎沁w移矩陣法，局部振動的計算原理是能量法?？梢允褂糜邢拊浖M行計算，也可以使用一些小程序，所謂的小程序就是公式推導加FORTRAN這個小計算器，編程和調試程序的過程比較痛苦，一旦編譯后應用就非常方便 ；如果使用有限元方法，初步建模工作將非常龐大。值得注意的是，有限元理解存在一個誤區(qū)，即有限元計算不能脫離規(guī)范，結構尺寸的前提仍然必須符合相應規(guī)范。

2 結語

船舶的生產過程兼具制造和建造的特點，造船和建筑之間也有很大的區(qū)別?，F代造船設計不僅要解決“建造什么樣的船舶”的問題，還要解決“如何建造”的問題。因此，設計指導思想和理論方法不盡相同。傳統(tǒng)造船設計以功能、系統(tǒng)、專業(yè)為基礎，現代造船以成組技術制造原理、相似性原理、系統(tǒng)工程思想和整體優(yōu)化理論為指導，對“怎樣造船”進行合理規(guī)劃。