船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)

王亮亮

【摘 要】本文主要針對船舶和海洋工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)展開探討，在船舶和海洋工程的設(shè)計(jì)過程中，最關(guān)鍵的就是結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)工作，所以，要對其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的技術(shù)進(jìn)行總結(jié)，研究結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)的要點(diǎn)和方法，才能夠進(jìn)一步提高其設(shè)計(jì)的水平。

【關(guān)鍵詞】船舶；海洋工程；結(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì)技術(shù)

前言

船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)有很多，要針對船舶和海洋工程的具體的設(shè)計(jì)要求和方案來進(jìn)行確定，優(yōu)選最合適的設(shè)計(jì)技術(shù)，只有這樣才能夠提高船舶和海洋工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，提高設(shè)計(jì)的質(zhì)量。

1 海洋工程設(shè)備分類

隨著世界經(jīng)濟(jì)持續(xù)高速增長，油氣資源供應(yīng)不足將成為阻礙經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要矛盾。為提高對油氣資源的占有量，海洋油氣的開發(fā)已經(jīng)成為世界實(shí)現(xiàn)能源可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略重點(diǎn)。海洋石油鉆井裝備產(chǎn)業(yè)是以資本密集和技術(shù)密集為主要特征、為海洋油氣資源開發(fā)提供生產(chǎn)工具的企業(yè)集合，是海洋油氣產(chǎn)業(yè)與裝備制造業(yè)的有機(jī)結(jié)合體。

目前用于海洋油氣鉆采的海洋工程裝備主要有兩大類：一類為海上浮動鉆井平臺，另一類為海上浮式生產(chǎn)設(shè)施。海洋鉆井平臺主要包括兩類：移動式平臺和固定式平臺；浮式生產(chǎn)設(shè)施主要包括：單圓柱生產(chǎn)平臺（SPAR）和浮式生產(chǎn)儲油船（FPSO），此外還有平臺供應(yīng)船及鋪管船等。

2 船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度計(jì)算方法

對船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度的計(jì)算與分析在整個(gè)結(jié)構(gòu)理性設(shè)計(jì)中是要求最高也最為復(fù)雜的環(huán)節(jié)，盡管通過對船體模型的有限元分析計(jì)算方法能對船體模型的構(gòu)件屈曲以及塑形變形等得到較為精確的測量結(jié)果，進(jìn)而精確計(jì)算出船體模型的極限強(qiáng)度，但是這種方法在計(jì)算過程中工作量龐大，而且計(jì)算成本很高，不利于在實(shí)際應(yīng)用中推廣。而用于計(jì)算船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度的逐步破壞法則在大量簡化計(jì)算工作量的同時(shí)也保證了極限強(qiáng)度的計(jì)算精度。

逐步破壞法作為傳播與海洋工程結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度的主流計(jì)算方法，很大程度上是緣于對以下兩方面的計(jì)算工作量的簡化。（1）將用于結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度計(jì)算與分析的船體模塊簡化為橫向崩潰和縱向崩潰這兩種獨(dú)立的總崩潰模式。（2）通過限制相關(guān)的尺寸保證相鄰兩個(gè)橫向剛架發(fā)生縱向崩潰。

逐步破壞法使得船舶與海洋工程的船體模型橫向剛架的臨界分段在中垂或者中拱過程中崩潰，這就使得機(jī)構(gòu)極限強(qiáng)度計(jì)算簡化為船體某一分段的極限縱強(qiáng)度的計(jì)算，在保證計(jì)算結(jié)果精確度的同時(shí)大大減少了計(jì)算工作量。

結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)的一個(gè)明顯特征就是結(jié)構(gòu)產(chǎn)生崩潰，即結(jié)構(gòu)喪失其承載能力與總體剛度。結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)是一個(gè)極其復(fù)雜的非線性變化過程。一些殼體結(jié)構(gòu)的極限強(qiáng)度可以直接通過特征值等來估算和計(jì)算。而在船舶與海洋工程中，結(jié)構(gòu)構(gòu)件可能會在不斷增加的彎矩作用下發(fā)生屈曲、屈服，直至破壞。但是其他構(gòu)件和已經(jīng)破壞的構(gòu)件可以進(jìn)一步承載外界剪力荷載，這種破壞過程不會使結(jié)構(gòu)的彈性剛度馬上變?yōu)榱悖S著外界破壞不斷增加，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的剛性強(qiáng)度不斷減小，最終結(jié)構(gòu)構(gòu)件發(fā)生崩潰。在這個(gè)過程中，只有根據(jù)逐步破壞法或者增量法，結(jié)合構(gòu)件破壞情況，通過更新結(jié)構(gòu)模型、采用荷載增量等才能對結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度進(jìn)行精確的分析計(jì)算。

3 船舶與海洋工程總體設(shè)計(jì)技術(shù)

最初的船舶總體設(shè)計(jì)手段從簡單繁雜的手工計(jì)算開始。隨著計(jì)算工具的更新，設(shè)計(jì)者開始標(biāo)準(zhǔn)化計(jì)算表格，簡化設(shè)計(jì)過程。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，各種分析理論的不斷完善，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)得到廣泛應(yīng)用。上世紀(jì)90代初，國內(nèi)一些大的研發(fā)機(jī)構(gòu)在總體設(shè)計(jì)方面主要應(yīng)用一些圖形化的工作站進(jìn)行型線圖、總布置圖的輔助繪制，并用船級社開發(fā)的一些軟件如Pilot、SeaSafe、GHS等進(jìn)行總體性能輔助分析計(jì)算；90代中后期，進(jìn)而采用AutoCAD、KCSInitialDesign、NAPA等商業(yè)化軟件。

多種CAD軟件產(chǎn)品，如NAPA、FORAN、MAXSURF、Tribon、FastShip等在船舶行業(yè)的廣泛應(yīng)用，使船舶與海洋工程的設(shè)計(jì)發(fā)生了深刻變革。

NAPA（TheNavalArchitecturalPackage）是一款芬蘭的專業(yè)船舶計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件，功能強(qiáng)大，是現(xiàn)代船舶設(shè)計(jì)的一個(gè)經(jīng)典軟件，為全球權(quán)威海事管理機(jī)構(gòu)和船級社認(rèn)可和采用。它分為應(yīng)用系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)和服務(wù)系統(tǒng)三個(gè)子系統(tǒng)。應(yīng)用系統(tǒng)分為船舶建模、靜水力計(jì)算、幾何圖形、艙容、裝載、穩(wěn)性衡準(zhǔn)、破艙穩(wěn)性、船舶下水、船舶傾斜、重量計(jì)算、船舶滿載穩(wěn)性、集裝箱布置、船舶水動力、耐波性、船舶快速性、信息系統(tǒng)和NAPA鋼結(jié)構(gòu)。船舶建模是NAPA的核心。輔助系統(tǒng)包括監(jiān)控、數(shù)據(jù)庫管理、動態(tài)內(nèi)存管理、綜合輸入輸出、作圖、錯(cuò)誤處理和其他功能。一般的服務(wù)系統(tǒng)包括文本編輯、文件管理系統(tǒng)、計(jì)算、表格計(jì)算、圖表繪制等。

NAPA軟件具有以下特點(diǎn)：靈活多樣的輸入輸出格式；直觀友好的三維圖形用戶界面；對電腦軟、硬件環(huán)境的廣泛適用性；開放式的平臺系統(tǒng)，具有強(qiáng)大的二次開發(fā)手段，并提供眾多與其他軟件的接口等，特別適用于船舶設(shè)計(jì)早期階段，處理眾多變量的相互關(guān)系，進(jìn)行多方案對比、優(yōu)化及不可避免的諸多設(shè)計(jì)更改。其功能涵蓋了設(shè)計(jì)的全過程，直至生成完工文件。

此外西班牙的FORAN、澳大利亞的MAXSURF、瑞典的TRIBON等CAD軟件在建模、計(jì)算分析、方案修改、輸出等模塊功能方面都各有特色，這些CAD軟件豐富了總體設(shè)計(jì)手段，使設(shè)計(jì)師能夠依據(jù)不同的設(shè)計(jì)任務(wù)選擇相對適宜的軟件工具，以達(dá)到最佳的效果。

在船舶CFD領(lǐng)域，也已出現(xiàn)越來越多的性能分析軟件，如Shipflow、Fluent等已得到廣泛應(yīng)用，這些軟件的預(yù)報(bào)精度達(dá)到了很高的水平。因此在新船型開發(fā)階段和初步設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)師可應(yīng)用各類精準(zhǔn)的分析工具進(jìn)行船舶性能的預(yù)報(bào)、優(yōu)化工作以獲得預(yù)期的效果。

但總的來看，在設(shè)計(jì)開發(fā)過程中充分利用CFD技術(shù)進(jìn)行輔助分析、優(yōu)化的手段和能力還不夠，設(shè)計(jì)過程中經(jīng)驗(yàn)依然占主導(dǎo)地位。CFD主要用來檢驗(yàn)CAD的結(jié)果，而不是用來驅(qū)動產(chǎn)品設(shè)計(jì)，兩者基本上處于“孤島”狀態(tài)，沒有實(shí)現(xiàn)有機(jī)的集成。因此，利用集成優(yōu)化平臺，實(shí)現(xiàn)船舶CAD與CFD一體化設(shè)計(jì)，最終達(dá)到船型“設(shè)計(jì)-分析-再設(shè)計(jì)”任務(wù)的自動化，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。基于CAD/CFD的船型一體化的設(shè)計(jì)思想由此產(chǎn)生。意大利、日本、德國等國家的船型水動力優(yōu)化研究業(yè)已按照設(shè)計(jì)分析集成化、一體化的主線發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了CAD/CFD的集成優(yōu)化設(shè)計(jì)，達(dá)到了以性能驅(qū)動設(shè)計(jì)的目標(biāo)。其研究的內(nèi)容也不僅僅局限在單個(gè)性能，而是多個(gè)性能、多學(xué)科的綜合優(yōu)化。

就船舶與海洋工程總體設(shè)計(jì)而言，先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法和功能全面而強(qiáng)大的設(shè)計(jì)手段兩者的有機(jī)結(jié)合，使設(shè)計(jì)師能有足夠的信心，高效地給出最優(yōu)化的設(shè)計(jì)方案，而設(shè)計(jì)任務(wù)目標(biāo)要求無疑是判斷設(shè)計(jì)方案優(yōu)劣的決定性因素。

4 結(jié)束語

綜上所述，船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)的種類也有很多，而且隨著我們科技的進(jìn)步，技術(shù)也會越來越多，那么在這樣的情況下，我們應(yīng)當(dāng)科學(xué)合理地選取最先進(jìn)最有效的技術(shù)，本文總結(jié)了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一些有效技術(shù)，希望能夠?yàn)榻窈蟮脑O(shè)計(jì)工作提供參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]魏東，張圣坤.逐步破壞法計(jì)算船體梁極限強(qiáng)度及應(yīng)用[C].首屆船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)力學(xué)學(xué)術(shù)討論會論文集.江西九江，1999：175-181.

[2]何福志，萬正權(quán).船體結(jié)構(gòu)總縱極限強(qiáng)度的簡化逐步破壞分析[J].船舶力學(xué)，2001，5（5）：21-35.

（作者單位：啟東中遠(yuǎn)海運(yùn)海洋工程有限公司）