船舶結(jié)構(gòu)優(yōu)化的基本要求與設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)是為了提高船舶的力學(xué)性能、降低經(jīng)濟(jì)成本、提升實(shí)用性能、增加工藝性能。優(yōu)化原則是找到更匹配的結(jié)構(gòu)尺寸和結(jié)構(gòu)的組合方式。降低經(jīng)濟(jì)成本不是偷工減料，而是尋找更適合結(jié)構(gòu)要求且價(jià)格經(jīng)濟(jì)的替代品，優(yōu)化目標(biāo)要建立在保證原有優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上，提高船舶結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度，確保其穩(wěn)定性，保證頻率等。計(jì)算機(jī)分析和仿真結(jié)合應(yīng)用到船舶結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)上，優(yōu)化后的效果事半功倍。人工智能和專家系統(tǒng)技術(shù)結(jié)合應(yīng)用到船舶的智能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，已取得突破性進(jìn)展。

1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

1.1 基于建造要求添加起重機(jī)

添加起重機(jī)并移動(dòng)原起重機(jī)，新修改增加左舷建造在船尾右舷1/4處，共3臺(tái)起重機(jī)，地圖庫加固，根據(jù)起重機(jī)底座結(jié)構(gòu)加固圖和加工圖之間的修改圖，原艉部結(jié)構(gòu)、原結(jié)構(gòu)、液壓伸縮式起重機(jī)、起重機(jī)建在中央總布置圖上，檢查液壓伸縮式起重機(jī)的加固結(jié)構(gòu)，計(jì)算由MSC/Patran、MSC/Nastran處理。加固結(jié)構(gòu)和相鄰船體結(jié)構(gòu)由普通鋼制成。根據(jù)規(guī)范，對(duì)板單元中間平面的復(fù)合應(yīng)力進(jìn)行評(píng)價(jià)。粗格柵的許用應(yīng)力為188 N/mm2，細(xì)格柵的許用應(yīng)力為300 N/mm2。所有加固結(jié)構(gòu)均根據(jù)起重機(jī)底座結(jié)構(gòu)加固圖中所述的厚度進(jìn)行建模。所有板、桁架、支架和骨料均采用板單元進(jìn)行模擬，邊界條件在建模范圍和主甲板處得到簡(jiǎn)單支撐，即3個(gè)自由度的位移受到約束。設(shè)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(zhuǎn)力矩。同時(shí)，垂直荷載、旋轉(zhuǎn)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?yàn)榇怪毕蛳?；轉(zhuǎn)動(dòng)力矩逆時(shí)針施加；傾覆力矩方向從0°～360°，每45°計(jì)算1個(gè)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(jù)經(jīng)驗(yàn)，右舷安裝鋼護(hù)舷，以防止船舶?？繒r(shí)發(fā)生碰撞。船舶檢驗(yàn)審核優(yōu)化建議，檢驗(yàn)部門根據(jù)中華人民共和國(guó)海事局、《國(guó)內(nèi)航行船舶法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則》（2020）、《中國(guó)船級(jí)社《國(guó)內(nèi)航行船舶建造規(guī)則》（2018）及其修改通知，對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的修改進(jìn)行審查，提出措辭說明和安全通道，有限元計(jì)算應(yīng)發(fā)布相關(guān)內(nèi)容，例如：修改說明應(yīng)盡可能完整，提交文件的內(nèi)容應(yīng)與說明一致，并應(yīng)添加“修改”或“添加”等字樣加以區(qū)分，客艙名稱應(yīng)統(tǒng)一、簡(jiǎn)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(yīng)配備至少2個(gè)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(yùn)通道，也是應(yīng)急人員通道。增加通往冰室的坡道。冰艙內(nèi)有兩條人員通道，斜梯為主通道，直梯為應(yīng)急通道。應(yīng)清楚地反映起重機(jī)的具體位置，并擴(kuò)大模型的橫向范圍。

以1艘鋼質(zhì)、單甲板、單底、雙引擎、雙螺旋槳、柴油驅(qū)動(dòng)的尾式冷水群育工業(yè)船為例，在中國(guó)近海航行區(qū)作業(yè)（冬季不在冰區(qū)航行），全長(zhǎng)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(yùn)輸船。十年后首次改裝，本次是在改裝后的基礎(chǔ)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(shí)現(xiàn)深海冷水群養(yǎng)殖的鮭魚深度捕撈和初加工的自動(dòng)化。為此，建造1個(gè)100 m2的大型加工室。捕撈是通過甲板起重機(jī)的后部設(shè)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(dòng)加工設(shè)備，靠近包裝好的漁具，最后加工好的產(chǎn)品是通過起重機(jī)運(yùn)輸?shù)搅硪凰疫\(yùn)輸船上的。左舷艉吊和新增右舷艉吊和側(cè)吊的有限元強(qiáng)度計(jì)算時(shí)間短，任務(wù)重。第一次改裝后，在主甲板下設(shè)置14個(gè)魚缸（1個(gè)備用魚缸）。在主甲板上設(shè)置飼料罐、顆粒飼料室和漁獲物倉(cāng)庫，以便于喂食，并設(shè)置冷藏肉類倉(cāng)庫和蔬菜倉(cāng)庫，以滿足海上長(zhǎng)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(yù)留）、魚類儲(chǔ)藏室、肉類儲(chǔ)藏室、蔬菜儲(chǔ)藏室和冷凝設(shè)備室。從船尾到船頭，有更衣室、魚類孵化室（預(yù)留）、顆粒飼料室、苗圃實(shí)驗(yàn)室、監(jiān)控室和值班室、健身室和娛樂室、設(shè)備室，以及長(zhǎng)甲板室的甲板結(jié)構(gòu)布置（如圖1所示）。船體結(jié)構(gòu)符合《中國(guó)船級(jí)社鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)定（2015年）》為適應(yīng)海上貿(mào)易船舶設(shè)計(jì)的要求，船舶采用焊接結(jié)構(gòu)，其中船用結(jié)構(gòu)鋼級(jí)采用CCSA焊接材料，在一些特殊結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，改裝后的甲板室為橫向框架結(jié)構(gòu)。船體結(jié)構(gòu)主船體原2號(hào)儲(chǔ)冰艙設(shè)有冰艙，增設(shè)1050、3250平臺(tái)、切冰機(jī)及啟閉機(jī)，艙內(nèi)設(shè)有兩條逃生通道，左舷樓梯開啟主甲板，主甲板加工間設(shè)直梯。將原1號(hào)儲(chǔ)罐改造為2600平臺(tái)的冰漿儲(chǔ)罐，布置冰漿系統(tǒng)。這間小屋是為偶爾出入作準(zhǔn)備的，其中設(shè)置了一條通向主甲板的逃生通道。這次，是在原構(gòu)件的使用基礎(chǔ)上改造的，恢復(fù)主甲板下方立柱的設(shè)置，讓構(gòu)件保持連續(xù)性且盡可能減少動(dòng)量和施工量，節(jié)省時(shí)間。在造船廠的施工中，當(dāng)冰艙底部的內(nèi)部組件打開時(shí)，冰艙的右舷管道影響1050平臺(tái)底板的焊接。考慮到儲(chǔ)罐容量沒有受到影響，因此進(jìn)行局部提升，以減少改造量。為便于冰蓋機(jī)的吊裝，根據(jù)實(shí)物在現(xiàn)場(chǎng)開工藝孔，并按圖紙所示原圖紙將開孔結(jié)構(gòu)焊接牢固，以減少艙蓋設(shè)置，不妨礙通行。

1.2 堅(jiān)持綠色低碳、數(shù)字化結(jié)構(gòu)模式改革

2021以來，更詳細(xì)的集裝箱船設(shè)計(jì)進(jìn)入關(guān)鍵階段，面對(duì)高鋼價(jià)的形勢(shì)，集裝箱船的目標(biāo)，從多維推進(jìn)船舶結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)、零部件和合同設(shè)計(jì)、綜合推廣應(yīng)用到多個(gè)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)中，取得顯著成果。設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)建立涵蓋標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算、客艙有限元和整船有限元的結(jié)構(gòu)安全評(píng)估技術(shù)體系。通過多次迭代計(jì)算，“計(jì)算和精算靈活性”，可以最大限度地優(yōu)化和細(xì)化船體設(shè)計(jì)。團(tuán)隊(duì)成員齊心協(xié)力開發(fā)、移植和推廣創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式，包括大肋框架、混合橫隔板、艙蓋輕質(zhì)支撐等。同時(shí)，深入開展結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，并對(duì)艉板接頭數(shù)量和上部結(jié)構(gòu)配筋布置進(jìn)行優(yōu)化，有效減少結(jié)構(gòu)件數(shù)量。通過實(shí)施上述優(yōu)化設(shè)計(jì)，在滿足船東對(duì)“添加”構(gòu)件尺寸的特殊要求的同時(shí)，船體重量可減少約360 t，并可降低材料成本和施工成本?？偨Y(jié)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，形成標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)指南，并在后續(xù)產(chǎn)品中全面移植推廣[2]。增加加工間，在改裝中，由于新的生產(chǎn)線，在主甲板前部增加一個(gè)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(diào)整，移到了靠近艙口邊緣的右艙口處。想要對(duì)加工室（長(zhǎng)甲板室）的通道加寬，是有嚴(yán)格要求的。采用π型鋼作為垂直桁架，并在主甲板下方對(duì)齊堅(jiān)固的元件，以更好地傳遞力，并滿足規(guī)范要求。結(jié)構(gòu)的改裝過程要與配合船廠，船東和船廠雙方技術(shù)交底，互相提交圖紙資料，幫助改造項(xiàng)目盡早完工。根據(jù)初步改造以后，再新增加一條生產(chǎn)線，用于配合檢驗(yàn)改造后船舶的結(jié)構(gòu)布局、是否符合規(guī)范要求等方面的研究工作。起重機(jī)的優(yōu)化改造要滿足新的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)則，對(duì)后期的船舶建造和維護(hù)提供便利。船舶新生產(chǎn)線的檢驗(yàn)功能是船舶優(yōu)化的過渡期，及時(shí)檢驗(yàn)是為了高質(zhì)量船舶設(shè)計(jì)改造任務(wù)。

比如，造船行業(yè)進(jìn)行整體危險(xiǎn)區(qū)劃分、防火分區(qū)；設(shè)計(jì)的整體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是任務(wù)量大、設(shè)計(jì)復(fù)雜、用時(shí)久等。每個(gè)模塊的設(shè)計(jì)都要考慮船體結(jié)構(gòu)的布局匹配度是否合理，因此提高設(shè)計(jì)效率是船舶整體設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。骨架模型相當(dāng)于是結(jié)構(gòu)專業(yè)的定位信息，其他專業(yè)也會(huì)分別對(duì)應(yīng)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(gè)區(qū)域，在基本布局模型上細(xì)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(jié)構(gòu)的二維設(shè)計(jì)。以初步重量估算、輔助二維設(shè)計(jì)、水動(dòng)力性能和有限元建模為主要目標(biāo)，以CATIA的功能和應(yīng)用以及船舶初步設(shè)計(jì)的演示為例。同時(shí)，對(duì)殼體設(shè)計(jì)建模要素進(jìn)行解釋，CATIA對(duì)線性變化更復(fù)雜、更嚴(yán)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(jié)構(gòu)的二維設(shè)計(jì)。

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(jié)構(gòu)的前提下，根據(jù)深槽板厚度的計(jì)算公式，研究發(fā)現(xiàn)液體密度、壓頭和材料系數(shù)均為固定常數(shù)，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(gè)舊縱向骨骼之間添加1個(gè)新縱向骨骼以將S值更改一半，則根據(jù)分析和計(jì)算，在2個(gè)舊的縱向骨之間添加1個(gè)新的縱向骨是可行的，舊的內(nèi)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(shè)計(jì)的要求，根據(jù)縱向規(guī)范的公式，發(fā)現(xiàn)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(qiáng)度。如果通過在此處添加支架的方式仍不能滿足設(shè)計(jì)要求，如將舊船本身添加在雙支架中，有大支架或側(cè)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(gè)堅(jiān)固的框架之間再加一個(gè)堅(jiān)固的新框架或堅(jiān)固的肋，縱向跨度為1.6 m的一半。

比如，前后橫墻和縱墻應(yīng)按照上述設(shè)計(jì)思路進(jìn)行加固和改造，先對(duì)結(jié)構(gòu)做荷載解，即對(duì)各種環(huán)境荷載進(jìn)行計(jì)算和模擬，目的是為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供輸入。環(huán)境荷載包括波浪荷載、水流荷載和風(fēng)荷載，是最復(fù)雜的波浪荷載之一。環(huán)境荷載確定后，下一步是結(jié)構(gòu)整體響應(yīng)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(cè)面作為梁腹板，這是等效梁法的圖例，靜水荷載效應(yīng)的確定性就在其中，而波浪誘導(dǎo)統(tǒng)計(jì)，梁法的求解已經(jīng)為經(jīng)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(yīng)分析之后，還對(duì)局部子結(jié)構(gòu)進(jìn)行響應(yīng)分析，以確定船體模塊和主要部件的荷載效應(yīng)。此外，我們還需要進(jìn)一步確定荷載效應(yīng)的極限值，即極限狀態(tài)分析。上述分析結(jié)果需要一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)來評(píng)估它們是否滿足要求。該標(biāo)準(zhǔn)是針對(duì)不同情況選擇的適當(dāng)結(jié)構(gòu)可靠性約束表達(dá)式。以上是結(jié)構(gòu)分析的一般過程。如果滿足約束條件，則證明結(jié)構(gòu)可靠；否則，應(yīng)優(yōu)化上述設(shè)計(jì)，更新尺寸，或修改梁的應(yīng)力分布，直到滿足要求。

1.4 加強(qiáng)船舶運(yùn)動(dòng)響應(yīng)預(yù)測(cè)和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)估

如果用一句話來概括船體結(jié)構(gòu)的研究?jī)?nèi)容，筆者認(rèn)為是：船舶運(yùn)動(dòng)響應(yīng)預(yù)測(cè)和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)估，主要包括響應(yīng)分析、強(qiáng)度分析和承載力分析。響應(yīng)分析是結(jié)構(gòu)在規(guī)定荷載大小和振型下的響應(yīng)，屬于正問題?？梢越栌糜邢拊浖ぞ呓⒛Ｐ停斎胼d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(gè)相反的問題，表明結(jié)構(gòu)在哪種載荷模式下能承受多大的力，超過這個(gè)范圍就會(huì)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(qiáng)度分析中的強(qiáng)度是指在特定載荷下，在特定條件下比較結(jié)構(gòu)不變形或失效的能力。如果輸入荷載隨時(shí)間變化，則進(jìn)入結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析領(lǐng)域；如果載荷是周期性的，則進(jìn)入結(jié)構(gòu)振動(dòng)和噪聲分析領(lǐng)域。

一般來說，主要尺寸不是由結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師的重點(diǎn)是確定所有構(gòu)件的尺寸、位置和間距。在詳細(xì)設(shè)計(jì)中，更詳細(xì)地確定局部結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)部門發(fā)布的技術(shù)文件通常是相似的。總平面布置圖和剖面圖確定后，結(jié)構(gòu)可根據(jù)總平面布置圖和規(guī)范要求繪制基本結(jié)構(gòu)圖和結(jié)構(gòu)規(guī)范計(jì)算書?？蚣芷拭鎴D可以根據(jù)剖面圖繪制，也可以從NAPA、MAXSURFsetrib等整體軟件中導(dǎo)出到CAD，確定基本結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)、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(jié)構(gòu)要求，繪制前還需要進(jìn)行一些計(jì)算，包括總縱強(qiáng)度計(jì)算，板格、縱骨、板架和艙室的局部強(qiáng)度計(jì)算，總振動(dòng)計(jì)算和局部振動(dòng)計(jì)算?？傉駝?dòng)的計(jì)算原理是遷移矩陣法，局部振動(dòng)的計(jì)算原理是能量法?？梢允褂糜邢拊浖M(jìn)行計(jì)算，也可以使用一些小程序，所謂的小程序就是公式推導(dǎo)加FORTRAN這個(gè)小計(jì)算器，編程和調(diào)試程序的過程比較痛苦，一旦編譯后應(yīng)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(gè)誤區(qū)，即有限元計(jì)算不能脫離規(guī)范，結(jié)構(gòu)尺寸的前提仍然必須符合相應(yīng)規(guī)范。

2 結(jié)語

船舶的生產(chǎn)過程兼具制造和建造的特點(diǎn)，造船和建筑之間也有很大的區(qū)別。現(xiàn)代造船設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)指導(dǎo)思想和理論方法不盡相同。傳統(tǒng)造船設(shè)計(jì)以功能、系統(tǒng)、專業(yè)為基礎(chǔ)，現(xiàn)代造船以成組技術(shù)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(dǎo)，對(duì)“怎樣造船”進(jìn)行合理規(guī)劃。