船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的理念及其對(duì)船舶建造的影響

肖大銀

（舟山中遠(yuǎn)海運(yùn)重工有限公司浙江省，浙江舟山 316131）

0 引言

船舶具有造價(jià)高、使用期長(zhǎng)、環(huán)境載荷惡劣等特點(diǎn)。在其使用期內(nèi)可能遭遇到多種事故，這些隨機(jī)的事故一旦發(fā)生，將對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響，導(dǎo)致整個(gè)船體結(jié)構(gòu)失去工作能力，造成很大的經(jīng)濟(jì)損失。近年來(lái)，我國(guó)船舶制造業(yè)得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)不僅為船舶設(shè)計(jì)行業(yè)帶來(lái)新機(jī)遇，也帶來(lái)了前所未有的挑戰(zhàn)。為保證船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性能、使用性能、經(jīng)濟(jì)性能等滿(mǎn)足市場(chǎng)需求，船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)質(zhì)量需要滿(mǎn)足更高的標(biāo)準(zhǔn)?；诖?，完善船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念，提高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的生產(chǎn)工藝性勢(shì)在必行。本文對(duì)船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的理念及其對(duì)船舶建造的影響進(jìn)行介紹，并對(duì)設(shè)計(jì)中細(xì)節(jié)處理措施和提高生產(chǎn)工藝性的方法進(jìn)行分析，以期為船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供一定參考。

1 船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的理念及對(duì)船舶建造的影響

在船舶建造中，船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)劣能直接影響船舶建造的周期及成本。因此，船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員需要根據(jù)客戶(hù)的要求，在滿(mǎn)足船舶建造規(guī)范的前提下，綜合考慮船舶的安全性、使用性、整體性、工藝性、美觀性及經(jīng)濟(jì)性，這也是船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本理念。

安全性是整個(gè)船舶建造的基本質(zhì)量指標(biāo)，保障船舶的安全性是船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本前提。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)保證船舶在各種外力作用下具有一定的強(qiáng)度，以及必要的穩(wěn)定性與剛度，不致因構(gòu)件強(qiáng)度不足或失穩(wěn)而引起結(jié)構(gòu)的損壞，也不能使變形超過(guò)允許范圍。此外，還應(yīng)使船舶結(jié)構(gòu)具有良好的防振性能，使其在各種激振力作用下，不會(huì)產(chǎn)生過(guò)度振動(dòng)。

使用性即船舶是否能較好地完成預(yù)定的使用任務(wù)的性能，提高使用性是設(shè)計(jì)中處理一切問(wèn)題的中心。結(jié)構(gòu)的布置與構(gòu)件尺度的選用應(yīng)符合營(yíng)運(yùn)的要求，設(shè)計(jì)人員對(duì)與此有關(guān)的各種因素，必須有明確的概念，并采取合理的技術(shù)措施。

整體性要求結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須與船舶性能、輪機(jī)、設(shè)備、電氣及通風(fēng)等設(shè)計(jì)密切配合，相互協(xié)調(diào)，分清主次，確保船舶在各個(gè)方面都具有良好的工作性能。

工藝性要求結(jié)構(gòu)形式與連接形式的選擇應(yīng)便于施工，以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。在選用結(jié)構(gòu)材料品種時(shí)，應(yīng)適當(dāng)減少規(guī)格，以便于船廠采購(gòu)和備料。此外，應(yīng)根據(jù)船廠的設(shè)備情況、生產(chǎn)組織管理等特點(diǎn)，合理制訂船體建造的原則方案，采用先進(jìn)的工藝措施，降低船舶的建造成本。

美觀性包含船舶造型與內(nèi)部裝潢等2個(gè)方面，船舶外觀造型的好壞會(huì)給人以深刻的觀感和印象，內(nèi)部空間的合理布局會(huì)提高船舶的適用性，要從船舶美學(xué)觀點(diǎn)，求新求美，給人們藝術(shù)享受。

經(jīng)濟(jì)性指船舶完成規(guī)定任務(wù)時(shí)，資金的耗費(fèi)和積累情況。在考慮結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、構(gòu)件的腐蝕余量和使用、維修情況后，盡量減少結(jié)構(gòu)的重量以使船舶具有更好的經(jīng)濟(jì)性能[1]。

按照規(guī)劃過(guò)程，可將船體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)步驟分為初步設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)及生產(chǎn)設(shè)計(jì)等3個(gè)階段。初步設(shè)計(jì)是從收到船東的設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)或詢(xún)價(jià)開(kāi)始，進(jìn)行船舶總體性能和主要技術(shù)指標(biāo)、裝置、各系統(tǒng)的原理設(shè)計(jì)，這是一個(gè)設(shè)計(jì)計(jì)算和技術(shù)洽談的工作過(guò)程。詳細(xì)設(shè)計(jì)根據(jù)造船合同確認(rèn)的技術(shù)文件以及修改意見(jiàn)書(shū)進(jìn)行各個(gè)具體技術(shù)專(zhuān)業(yè)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)計(jì)算和關(guān)鍵圖的繪制。生產(chǎn)設(shè)計(jì)是從施工的立場(chǎng)出發(fā)，用于解決怎樣造船與怎么合理組織造船生產(chǎn)的一種設(shè)計(jì)。船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的各階段都需要與船東和船廠進(jìn)行溝通協(xié)調(diào)，設(shè)計(jì)的進(jìn)程直接影響船舶建造的周期。

2 船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的細(xì)節(jié)處理

船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是船舶運(yùn)行安全的關(guān)鍵，其設(shè)計(jì)過(guò)程中的細(xì)節(jié)處理不僅關(guān)系著船舶建造中的安全質(zhì)量，而且與船廠建造成本及周期有直接影響。

2.1 止流孔的設(shè)置

船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中涉及到眾多類(lèi)型的止流孔，在滿(mǎn)足設(shè)計(jì)規(guī)范的前提下，合理地布置止流孔是船體生產(chǎn)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要關(guān)注點(diǎn)。常規(guī)止流孔的設(shè)置可分3種類(lèi)型：

1）貫通的零件在水密結(jié)構(gòu)相鄰處（已開(kāi)角隅或切口時(shí)），可兼有止流孔作用。

2）全焊透部分無(wú)需止流孔。

3）組合型材上下都要開(kāi)設(shè)止流孔。

常規(guī)止流孔開(kāi)設(shè)節(jié)點(diǎn)情況見(jiàn)圖1，圖中10RV(K)是指需要封堵半徑R10的開(kāi)孔，封堵前要打V型坡口或者K型坡口。

圖1 常規(guī)止流孔節(jié)點(diǎn)圖（單位：mm）

2.2 肘板端部與型材連接的設(shè)計(jì)處理

船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中會(huì)遇到大量的肘板端部與型材連接的設(shè)計(jì)處理工作，若處理不好，往往會(huì)導(dǎo)致船舶在運(yùn)營(yíng)中出現(xiàn)裂縫，造成船舶回廠返修。處理肘板端部與型材連接的節(jié)點(diǎn)不僅要考慮船體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，還要充分考慮船舶的建造難度，常規(guī)肘板端部與型材連接的典型節(jié)點(diǎn)有5種，見(jiàn)圖2。圖中，D為型材高度；A為球扁鋼球頭高度；θ為肘板削斜角度；BKT為肘板縮寫(xiě)。

圖2 常規(guī)肘板端部與型材連接的典型節(jié)點(diǎn)（單位：mm）

2.3 特殊角隅布置情況

合理的角隅設(shè)置可以減輕操作難度以及工作量，讓設(shè)計(jì)更加的人性化，更符合生產(chǎn)工藝性。特殊角隅可分3種類(lèi)型：

1）對(duì)于不能進(jìn)行包角焊的區(qū)域，開(kāi)設(shè)10 mm×10 mm的切角（10C），見(jiàn)圖3。

2）對(duì)于應(yīng)力集中區(qū)域，不能開(kāi)角隅，見(jiàn)圖4。

3）對(duì)于與焊縫相鄰的區(qū)域，開(kāi)設(shè)長(zhǎng)軸40 mm，短軸20 mm的半橢圓孔，并進(jìn)行封堵，封堵前打V型坡口，見(jiàn)圖5。圖3～圖5中，M為不在肘板或支柱范圍內(nèi)的開(kāi)孔邊緣到肘板端部或支柱中心的直線(xiàn)距離； N為在肘板范圍內(nèi)的開(kāi)孔邊緣到肘板端部的直線(xiàn)距離；a為角焊縫到對(duì)接焊縫的直線(xiàn)距離；d為型材高度；R為角隅孔半徑。

圖3 不能進(jìn)行包角焊的區(qū)域角隅節(jié)點(diǎn)開(kāi)設(shè)情況

圖4 應(yīng)力集中區(qū)域不開(kāi)角隅節(jié)點(diǎn)（單位：mm）

續(xù)圖4 應(yīng)力集中區(qū)域不開(kāi)角隅節(jié)點(diǎn)（單位：mm）

圖5 焊縫相鄰區(qū)域角隅節(jié)點(diǎn)開(kāi)設(shè)情況

2.4 船體分段接口設(shè)計(jì)

對(duì)于船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而言，船體分段接口設(shè)計(jì)非常重要。

1）接口設(shè)計(jì)需要便于船體分段裝配工作的順利實(shí)施。

傳統(tǒng)的分段設(shè)計(jì)是將艙體劃分為獨(dú)立的段落，P型的分段會(huì)讓船體出現(xiàn)中心不均勻的情況，導(dǎo)致在后期的裝配中需要大量的輔助支撐才可以規(guī)避這一缺點(diǎn)。在改進(jìn)分段接口時(shí)，將面板加設(shè)到船體斷開(kāi)節(jié)點(diǎn)處，這樣就形成了R型分段，從而簡(jiǎn)化分段裝配。不僅提高了焊接效率，還能提升船體建造的安全性[2]。

2）工序前移，減少后行作業(yè)（船臺(tái)、船塢作業(yè)）的工作量。

為便于分段裝配，在作業(yè)時(shí)機(jī)艙雙層底分段的外板應(yīng)高出雙層底100 mm～200 mm。機(jī)艙前壁舾裝件較多，可考慮把舾裝件較密集的壁板劃分到雙層底分段上，加大分段預(yù)裝率。對(duì)于艏部錨臺(tái)部分的分段，可考慮把涉及錨臺(tái)的外板及結(jié)構(gòu)劃分到一個(gè)分段上，在分段制作階段安裝錨臺(tái)，減少后行施工難度和工作量。

2.5 斷梁的細(xì)節(jié)處理

斷梁的處理是船舶建造過(guò)程中極為重要的一環(huán)，需要給予足夠重視。在過(guò)去船舶建造工程中，由于梁體的處理及安裝沒(méi)有到位，導(dǎo)致斷梁現(xiàn)象時(shí)常發(fā)生。在斷梁?jiǎn)栴}處理中，設(shè)計(jì)師首先需要考慮分段定位，將斷梁部位處理點(diǎn)接上。在進(jìn)行斷梁修補(bǔ)時(shí)，不僅要使梁的強(qiáng)度符合規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，還要保證在后續(xù)運(yùn)行的過(guò)程中不會(huì)影響船體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。在不改變船體結(jié)構(gòu)理論線(xiàn)的同時(shí)，還要充分考慮現(xiàn)場(chǎng)施工的難度及成本，避免造成額外的施工工作量[3]。斷梁的典型節(jié)點(diǎn)及施工焊接順序見(jiàn)圖 6，斷梁的最小長(zhǎng)度Lmin=300 mm，焊接順序?yàn)?→2→3→4。

圖8 斷梁典型節(jié)點(diǎn)及焊接順序圖（單位：mm）

3 生產(chǎn)工藝性提高方法

1）根據(jù)船廠建造能力優(yōu)化結(jié)構(gòu)

從工廠施工角度出發(fā)，考慮通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、高效率、高安全性造船，將船廠的生產(chǎn)設(shè)備、場(chǎng)地及工藝流程的最大功能與特點(diǎn)發(fā)揮出來(lái)，是提高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)生產(chǎn)工藝性的核心思想。船體的初步設(shè)計(jì)一般只能確定船體的基本結(jié)構(gòu)，在之后的詳細(xì)設(shè)計(jì)中需要對(duì)船體結(jié)構(gòu)進(jìn)行細(xì)化，以便更好地發(fā)揮結(jié)構(gòu)的實(shí)際效用。結(jié)合船廠提供的建造方針、建造工藝流程、分段劃分圖等對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化調(diào)整。船舶本身是一種極為繁雜的工程建造物，影響因素眾多，加上主、客觀條件的限制，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難免會(huì)出現(xiàn)各種問(wèn)題，如：有些結(jié)構(gòu)難以通過(guò)具體的計(jì)算得出加工參數(shù)，需要在船體裝配的環(huán)節(jié)中，通過(guò)物理壓制、火工等方式進(jìn)行調(diào)整與矯正，這就需要考慮船廠的加工能力。船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一個(gè)持續(xù)優(yōu)化調(diào)整的過(guò)程，優(yōu)化后結(jié)構(gòu)的合理性直接關(guān)系到船舶建造的工藝性及成本，在設(shè)計(jì)階段充分考慮生產(chǎn)工藝性，可有效減少建造過(guò)程中的額外工作量，節(jié)約建造成本。

2）及時(shí)提供船廠所需的材料和設(shè)備訂貨清單

船舶建造的整體周期雖然較長(zhǎng)，但是實(shí)際建造時(shí)間并不充裕。在簽訂合同之時(shí)，就已經(jīng)明確了船舶交付日期，造船廠也確立了開(kāi)工時(shí)間，保證建造船舶所需的材料、設(shè)備的采購(gòu)周期滿(mǎn)足船舶建造過(guò)程中的各個(gè)節(jié)點(diǎn)尤其重要。船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的優(yōu)化調(diào)整，及時(shí)提供船廠所需的材料、設(shè)備訂貨清單可有效規(guī)避因設(shè)計(jì)變更引起的供貨不及時(shí)、供貨錯(cuò)誤，減少庫(kù)存，降低生產(chǎn)成本。

3）加強(qiáng)專(zhuān)業(yè)間協(xié)同

船體結(jié)構(gòu)作為輪機(jī)、電氣、舾裝等其他專(zhuān)業(yè)的載體，為這些專(zhuān)業(yè)提供工作舞臺(tái)，成為各項(xiàng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。因此，在進(jìn)行船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)全盤(pán)考慮其他專(zhuān)業(yè)對(duì)船體結(jié)構(gòu)的要求，注意各專(zhuān)業(yè)之間的協(xié)同，并對(duì)舾裝所要求的結(jié)構(gòu)上的預(yù)開(kāi)孔與加強(qiáng)的內(nèi)容納入船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的范圍。船體的變動(dòng)可能引起其他專(zhuān)業(yè)的相應(yīng)變動(dòng)，而各專(zhuān)業(yè)的變動(dòng)都可能會(huì)影響船體結(jié)構(gòu)。協(xié)調(diào)不及時(shí)或不徹底，將會(huì)造成設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，進(jìn)而導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)返工，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)绊懘敖ㄔ熘芷?，給船廠帶來(lái)重大經(jīng)濟(jì)損失[4]。

4）進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)時(shí)及時(shí)與船廠溝通

在進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)提前通知船廠進(jìn)行相應(yīng)的準(zhǔn)備工作，如：設(shè)備改進(jìn)或增加；新工藝、工裝的應(yīng)用；新技術(shù)的攻關(guān)；焊接工藝評(píng)定；特殊材料的采購(gòu)等。通過(guò)與船廠及時(shí)溝通，減少建造過(guò)程中因施工能力不足引起的設(shè)計(jì)變更，相應(yīng)縮短建造周期，降低建造成本[5]。

4 結(jié)論

船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是影響船舶建造的重要環(huán)節(jié)，不論是初步設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)還是生產(chǎn)設(shè)計(jì)，都需要保障船舶使用的可靠性、使用性及維護(hù)性。其中，可靠性作為船舶能夠有效的進(jìn)行工作的前提，規(guī)定了船舶所應(yīng)該具有的承載能力，對(duì)于船舶的變形以及質(zhì)量、動(dòng)力的穩(wěn)定性具有重要。倘若設(shè)計(jì)不夠完善，則舶建造進(jìn)度就會(huì)減緩，生產(chǎn)成本會(huì)相應(yīng)提高，進(jìn)而市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。因此，本文論述的船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的理念及對(duì)船舶建造的影響、設(shè)計(jì)中的細(xì)節(jié)處理措施、提高生產(chǎn)工藝性的方法對(duì)提高船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水平有良好指導(dǎo)意義。希望船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師找準(zhǔn)自身工作的出發(fā)點(diǎn)，以用戶(hù)為主線(xiàn)，建立自己的設(shè)計(jì)理念，提升設(shè)計(jì)水平，為船舶制造行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供技術(shù)保障。