基于船舶與海洋工程的船體結構設計思路

李鑫

摘? 要：船體結構設計作為船舶制造中的一個重要環節，其設計質量的高低不僅關系著整個船舶的建造質量，對于海洋工程的發展具有極其重要的現實意義。傳統理念下的船體結構設計主要以數據、描述結構以及外形尺寸作為主要參考依據，忽略了設計和數據信息的規范，十分不利于船體結構設計的修改。在基于船舶與海洋工程的船體結構設計，如何設計出既完美又可以快速修改的船體結構圖，是所有船體設計師始終追求的目標。基于此，本文探討基于船舶與海洋工程的船體結構設計思路，以供各位同仁參考與借鑒。

關鍵詞：船舶與海洋工程? 船體結構設計? 理念與要求? 形式? 方法

中圖分類號：U662? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2021）01（b）-0009-03

Hull Structure Design Based on Ship and Ocean Engineering

LI Xin

（China Merchants Heavy Industry （Jiangsu） Co.， Ltd.， Nantong， Jiangsu Province， 226116 China）

Abstract： As an important link in ship manufacturing， the design quality of hull structure design is not only related to the construction quality of the whole ship， but also has extremely important practical significance for the development of ocean engineering.The traditional hull structure design mainly takes data， description structure and outline size as the main reference basis， ignoring the specification of design and data information， which is not conducive to the modification of hull structure design.In the design of hull structure based on ship and ocean engineering， how to design the hull structure diagram which is both perfect and can be modified quickly is the goal that the hull designers always pursue.Based on this， this paper discusses the hull structure design ideas based on ships and ocean engineering for the reference of colleagues.

Key Words： Ship and ocean engineering;Design of hull structure;Ideas and requirements;Form;Methods

隨著我國經濟的不斷發展，船舶行業也獲得了新的發展機遇。為此，對船體結構設計質量提出了更高要求。想要切實做好船體結構設計，必須要重點圍繞船體結構設計及建造的細節處理進行分析，不僅要對船體結構設計理念進行了解，還會對船體結構設計以及建造的相關細節處理。

1? 船體結構設計的理念與要求

1.1 船體結構設計理念

對船體結構設計理念進行分析，是船體結構設計的基礎與前提。首先，從船體結構設計的工作總量來分析，船體結構設計占據整個工程量的1/2及以上，它作為多工種參與的綜合性設計工作，與其他專業之間有著十分密切地聯系。因此，船體結構設計的準備工作十分重要。而在通常情況下，需要設計者先對在船體結構設計中需要使用到的各類施工工具的條件予以確認，然后在結合船體設計的實際情況制定出適合的設計方案、施工要點以及建造圖紙。與此同時，還要與管理人員做好充分的協調與溝通工作，針對具體的船體結構設計加以科學合理的管理。

1.2 船體結構設計要求

船體結構設計的主要內容是在滿足船舶總體設計的要求下，解決船體結構的形式、構件的尺度與連接等設計問題，保證船體具有很好的強度和良好的技術經濟性能。權衡結構設計質量的優劣，主要從幾方面考慮：安全性、適用性、整體性、工藝性、經濟性等。

船體結構設計要以使用性能為根本目的，在滿足安全性與可靠性的同時，對船體的外觀再進行更進一步的美化設計，船只的安全航行與順利抵達是實現一切經濟利益與社會效益的保證，而船體的穩固性是船體結構設計基本要求。因此，船體結構設計既要符合力學的原理，還需要參考實際的航海條件，并能綜合天氣、水文等客觀因素的影響，使船體結構外形設計滿足航行動力的要求。同時，船體結構設計還要充分考慮材料的使用性能，比如其中板材的設計要滿足船體設計的彎曲度，或者過厚的板材都不能達到預期的設計目標，更不能為了節約成本使用劣質的材料來以次充好，進而影響船只的質量。此外，實用性設計也是設計者們在船體結構設計中必須考慮的問題，再比如船艙和甲板等的設計要根據船體的實際裝載需求進行合理地設計，要既能容納預計的人員或者載重的貨物，又要能遵循安全與舒適性等的原則。

2? 船體結構設計應當注意的問題

船體結構的強度是以建造材料的質量與型式為基礎的，它是保證船體結構設計是否具備一定的強度、剛度和穩定性的前提條件，更是船體結構設計者們必須考慮的又一重要問題之一，否則所設計出來的船體結構就很容易出現變形、損壞等的問題，進而影響船只的使用壽命，甚至還會造成人身與財產事故的發生。其中，如果構件尺寸過大、強度過剩，不僅會造成材料的浪費和成本的加劇，還會造成船舶自身重量的增加，對船體局部的強度造成一定的負面影響。因此，在基于船舶與海洋工程的船體結構設計，在滿足安全性與穩定性的要求下，要盡量縮減構件的尺寸，并加強對船體局部的設計。與此同時，在船體結構設計中，還要考慮作業時間長和多用途的特點，要有足夠的倉容積，而艙室多和艙室小的船體結構設計，其施工難度也會較大一些。故而，還要滿足船體結構設計的工藝性要求，最大限度地擴大船體的建造范圍，減少立體分段、合理布置焊縫，選擇自動焊與二氧化碳氣體保護焊等的方式減少和降低焊接的變形。此外，還要優化施工環境，合理避免在狹小、密閉的空間環境下施工，使船體結構的形式與連接方式可以兼顧出船舶的維修與保養。

3? 船體結構設計的形式

3.1 基本形式

船體結構設計的基本方式是由板材與型材共同組合而成的，又稱作為板架結構，根據板架結構在船體中所占據的位置和發揮的作用，又將其分成若干個板架，比如船底板架、甲板板架、舷側板架以及艙壁板架等。從船體梁結構可知：甲板板架與船底板架相當于船體的上下翼板，舷側板架和艙壁板架相當于船體的梁與腹板，他們分別發揮的作用和骨架的排列方式都是不盡相同的，通常分為橫骨架式船體結構、縱骨架式船體結構和混合骨架式船體結構。橫骨架式船體結構適用于縱向強度不大的中小型船舶;縱骨架式船體結構適用于縱向強度較高的大型船船;混合骨架式船體結構主要適用于大中型的干貨船。因此，在具體的設計過程中，板材既要滿足不同類型船體的受力要求，也要綜合考慮船體在極端條件下的承重上限與下限，并結合實際情況設計橫向結構，進而保證船體的受力均勻和載重性能良好。

3.2 縱向結構設計形式

在船體的縱向結構設計中，有很多的縱向構件需要穿過橫向構件。同時，在分段合攏的過程中，由于縱向構件的接口比較多，這些都是造成縱骨架勢結構裝配困難的重要因素。所以，在某些特定的情況下，船體的甲板和船底的設計也要通過骨架式結構設計完成。而對于干貨船船體的設計，上甲板采用橫骨架勢的情況如下：當船長在10～130m的時候，L/D應當<12 ，總彎距和中刨面模數要求值也都比較小，局部強度條件是船體結構設計過程中必須考慮的問題。上甲板主要作用是用來放置貨物，因此橫向載荷較大，如果采用縱骨架式結構，較大的橫梁就會影響艙容。對于船底采用的橫骨架式結構設計的情況如下：當船身小于10m時，船底外板的厚度不得由強度條件來確定，而是應當由銹蝕的磨損程度來控制，又由于船底容易遭到擱淺，艙內出現抓斗起貨后者是底板沒有護板的時候，船底的厚度也應當由磨損的程度來決定。

4? 船體結構設計的方法

眾所周知，船舶造價高、使用周期長、工作環境惡劣，其在使用的過程中也難免會遭遇各類事故，而這些事故的發生本身就會對船體的結構帶來一定的影響，可能還會導致船體結構失去工作能力，造成巨大的經濟損失，為了避免以上問題的出現，期望可以通過確定性設計法和結構可靠性分析法提高船舶的使用性能。

4.1 確定性設計法

基于船舶與海洋工程的船體結構的確定性設計法又可以分為以下兩種類型：

（1）規范設計法。既船體的主要尺寸、結構形式、施工要求和營運方式。在這一設計過程中，要按照船體建造規范構件的布置情況和尺寸的大小，再結合船體的總強度與局部強度的審查標準，對已經完成的設計船體結構的穩定性和安全性進行嚴格的檢查，一旦發現有任何的不足之處，要及時在原設計方案上進行修改，重復校核，直到滿足相關的規范要求為止。

（2）直接計算法。直接計算法指的是根據船體構件的布置，將全部不可羅列的特征進行規范的一種設計方法，這就需要設計師必須具備結構力學的相關知識，再結合船體不同構件的受力情況，對船體結構進行強度計算，促使船體結構可以具備良好的力學性，最后完成對船體的優化設計。

4.2? 結構可靠性分析法

在船體結構設計的可靠性分析法中，首先要將有關的參數設置為定值，而所使用的參數都應當作為船體強度的儲備，使人們對船體結構產生固定的印象，認為船體的結構是絕對安全的，是不容易遭到破壞的;其次，將所有的船體結構形式都通過空間板梁組合的方式完成設計。這樣一來，當船體結構中的任何一個構件失去作用的時候，不僅內力會重新實現分配，而整個結構還會繼續工作。這樣也方便維修人員去研究某一構件失去作用的原因和對船體的影響，進而對船體的可靠性進行充分地分析與計算。結構可靠性分析法指的是船體結構在規定的時間內和條件下完成的預定功能概率，即滿足船體結構的全部功能。誠然，目前我國所采用的船體結構設計依然沿用的是概率論的分析方法，還具有很大的發展空間。

5? 結語

綜上所述，基于船舶與海洋工程的船體結構設計離不開科學合理的設計理念與設計要求，本文論述的船體結構設計從應當注意的問題、主要形式、鋼材的選擇以及設計的方法都緊緊圍繞了船體設計的實際情況而展開，這為船體的設計者提供了一個良好的指導，實現了船體設計質量和效率向結合的目標，降低了船體設計的成本。

參考文獻

[1] 羅曉明.FPSO船體結構設計要點[J].船海工程，2015（5）：117-120.

[2] 劉曉波.正確應用規范提高船體結構設計水平[J].中國運，2017（7）：88-90.

[3] 黃博.海洋工程船舶船體結構打在焊接方法選用淺析[J]科學發展，2018（10）：132-134.

[4] 鄧建坤.船舶建模分析計算集成系統的模型管理與轉換方法研究[D].武漢：華中科技大學，2019.

[5] 郁宇，劉勝，劉堯.船體結構設計及建造中的細節處理[J].山東工業技術，2018（9）：21-23.

[6] 夏齊強，朱韜，徐憶.艦船結構腐蝕余量要求標準分析[J].船舶標準化工程師，2020，53（5）：6-10.

[7] 翁海龍.船體結構設計的細節要點探析[J].船舶物資與市場，2020（8）：23-24.

[8] 崔曉鵬.基于三維結構模型的艦船結構強度分析方法研究[D].大連：大連海事大學，2020.

[9] 詹雪. 基于Android平臺的船體結構有限元后處理軟件開發技術研究[D].大連：大連理工大學，2019.

[10] BIN LIU， C. GUEDES SOARES. Ultimate strength assessment of ship hull structures subjected to cyclic bending moments.2020，215.

[11] 溫魯，李亞偉，杜志鵬，等.水下爆炸下船體結構變形分布及傳遞特性[J].武漢理工大學學報：交通科學與工程版，2020，44（3）：570-575.

[12] SHEN MENG， WEIHAO Wang， CAO LONGKUI. Soluble dietary fibers from black soybean hulls： Physical and enzymatic modification， structure， physical properties， and cholesterol binding capacity. 2020， 85（6）：1668-1674.