淺論基于船舶與海洋工程的船體結構設計

趙博

摘 要：船體結構設計是近年來我國自主研發的項目之一，依靠先進的建造理論和國內外的設計實例，結合日漸發展的信息技術能夠通過立體、綜合的方式展現設計觀念和結構，本文對船舶與海洋工程專業船體結構設計進行了闡述。

關鍵詞：船舶與海洋工程；船體；結構；設計

近年來，我國船舶制造業發展迅速，且為促進水路運輸業的發展提供了有力的交通工具支持，作為船舶制造的一項關鍵環節，船體結構設計不僅關系著船舶的整體建造質量，而且對于船舶建造業與水路運輸業的雙重發展也具有重要影響。

一、船體結構設計的設計理念及要求

1.船體結構設計的設計理念

對船體結構的設計理念進行分析，可以將其結構中的內容進行展開分析，首先是從船體建造的工作總量來看，船體結構就占據著總工程量的二分之一，在一般情況下，它是多工種參與的綜合性工作，因此，在船體的設計中，與其他專業之間的關系也十分密切，在建造之前要做好充分準備，一方面是把船體結構中各種施工具體的條件進行確認，然后再結合工廠的實際情況而制定出合適的建造方案以及施工要點，同時繪制出船體建造圖紙；另一方面是與管理人員進行協商協調，針對管理造船的具體過程加以管理，其中的內容主要分為四個不同點，即圖紙設計、輔助設計、準備工作階段、以及管理施工工作。

2.船體結構設計的設計要求

船體結構設計要以使用性能為參考，在保證安全性能的前提下，進一步美化外觀。船只的安全航行是一切利益的保證，船體的穩固是設計的核心理念，結構建構要符合力學原理，參考實際的航海條件，充分考慮天氣、水文因素的影響，能夠應對出航線路中的極端天氣，結構承重性要有保證，外形設計也要配合航行的動力要求，設計船體時要綜合多方面經驗，合理構建、計算，科學設計。

結構穩定的進一步要求是建造技術水平要配合設計要求。建造時要充分考慮設計參考材料的性能，例如，板材的使用要能適應船體設計的彎曲度，過厚或者過薄都不能實現設計預期。不能為節約成本而以次充好影響質量。

實用性是設計角度必須納入參考體系的問題，船體、船艙、甲板等設計要根據實際的裝載要求合理設計，既能容納預計的人員或貨物，同時也要考慮安全舒適度。

二、船體結構設計的基本內容

設計船體的基本工作包括：確定初步的結構方法、按照預算和設計要求提供使用材料的型號報告、上報船體合成技術。基本的設計理念是實用性和經濟性，采用承重性好的板材，同時要考慮其重量的限制條件，可以考慮采用輕便節約的新型的合成板材。基本的設計步驟按照規劃過程可分為基本的設計、細節的規劃和生產技術要求，分階段實現設計。

1.初步設計。初步的規劃是根據技術標準和設計要求對設計任務進行框架性的建構，建立基本的圖紙預想稿，根據預案和設計技術要求對材料、部件的型號和用度建立預算方案并形成預算報告，對船體的大小、結構方式進行設計。

2.詳細設計。前期的設計是框架性的大體預想，細節的設計要依照相關的審批意見作出調整，充分考慮到建造過程細節，再次確定各構件的型號、材質，形成符合設計要求的較為系統的設計方案，繪圖后連和設計方案闡釋交由審批部門。

3.生產設計。這主要是對船體設計中將方案付諸實踐的過程，即就是生產要求，以及在施工中所需要使用的材料和注意事項，從而使得材料能夠在施工詳細解釋中符合設計的圖紙以及施工方案。

三、船體結構設計的過程

船體結構在設計之初是分體分段的細致設計，有多重部件組合而成，一體化的設計在目前的技術水平限制下很難實現預想，并且容易出現局部的設計缺陷。分結構的設計雖然要考慮組合、連接的實際問題，但易于設計和建造，小規模的設計、生產、檢驗更容易實施。船體分段設計時是將結構分解為有機聯系的幾部分，根據實際的首、尾或者上、下的結構進行拆分，分組設計建構，同時要考慮到組合后的一體性，在設計分組拆分時要做好統籌工作，考慮到后期組裝工作的各個細節。

船體的負荷性能與船體的構造、材料、重量的內部性能有關，同時還受到海上條件的負面影響。而船體自身的質量是關鍵的因素，在設計規劃中船體結構需要進一步的銜接、加工，其質量、結構也是動態變化的過程，載荷能力的測算是過程性的計算，需要通過系統的信息整合實現最終的承重估計，并且要充分考慮到航行條件的限制。

四、船體結構形式

船體結構的基本方式是板和型材的組合，又稱板架結構。根據結構所處的位置和做用，人為的把他們分成若干板架，如船底板架，甲板板架，舷側板架和艙壁板架。由船體梁分析可知，甲板和船底板架相當船體梁的上下冀板，舷側板架相當船體梁的腹板，他們的做用不同，骨架排列方式也不一樣，通常分成縱骨架式和橫骨架式結構。

大型的船舶設計要根據實際的承重要求調整相關的架構方式。甲板和底部的設計可采用縱向的承重骨架，通過支撐力增加船體的安全性能，板材也要滿足基本的受力要求，同時要考慮極端條件下的承重上限、船舷應根據實際設計橫向的結構，保證受力均勻、載重性能好，橫向的設計另一優點是占用空間小，能夠為船體設計提供更大的艙容。

在縱向結構的裝配過程中，有較多的縱向構件要穿越橫向構件，在分段合攏時，縱向構件的接口較多，這些都使得縱骨架式結構裝配比較困難，所以有些情況下，即使甲板和船底也采用橫骨架式結構。

對于干貨船，上甲板宜于采用橫骨架式結構的情況是：

1.船長小于10米時；船長在10米至130米以內L/D小于12；總彎矩比較小，中刨面模數要求值比較小，局部強度條件成為主要的。

2.上甲板經常放置貨物，因而橫向載荷較大，如果采用縱骨架式結構，較大的橫梁會影響艙容。

對于船底宜采用橫骨架式結構的情況是：（1）船長小于10米，L/D小于12時，船底外板的厚度不是由強度條件來決定，而是由銹蝕磨損來控制。（2）船的中垂彎矩遠大于中拱彎矩。（3）船底易于擱淺，或艙內用抓斗起貨而艙底無護板時，船底板厚度主要由磨損來決定。

舷側結構型式，由橫艙壁間距和甲板到艙底距離而定。一般垂向距離較小宜采用橫骨架式，這對冰區航行尤為重要。丹東地區冬季常有漂浮冰排，船舶舷側結構骨架型式就要考慮這一因素。

五、結構鋼材的選擇

船體材料從承重和航行條件的要求下，多采用結構穩定的鋼結構，具體的設計還要配合不同性質的材料，輕便、結合性好的鋁材料、混凝土等都可以是配合的材料、鋼結構是設計主體，在保證其質量和性能的前提下，要考慮使用質量輕、易聯合的材料，以滿足復雜的設計工藝要求，多重材料的組合不僅滿足技術要求，還能最大限度地節省鋼材料，減少費用預算。材料的使用要滿足結構的穩定和航行的安全，充分考慮海水等外在條件的影響。小型的船只設計要采用穩定強的橫式機構，并加大板材的厚度，以滿足基本的安全航行要求。大型船舶設計要考慮減輕材料的重量以控制船體的質量，滿足航行、貨運等承重。

六、結語

綜上所述，船體結構的生產設計需要緊緊圍繞一個科學合理的理念，本文中所論述的各種不同情況，堅持做到根據船體設計、管理以及工藝的現場而展開，從而為船體的設計提供了一個良好的指導，進而實現了船體設計質量以及管理工作有效結合的目的，為船體結構在建造中降低成本、提高效率和質量。

參考文獻：

[1] 羅曉明.FPSO船體結構設計要點[J].船海工程，2015，（05）：117-120+127.

[2] 胡在超.DFMA在船體結構設計中的應用[J].廣船科技，2009，（01）：9-12.