空船重量優化及跟蹤控制方法

智廣信，安 毅，袁 博

（1.海南浙江大學研究院，海南三亞 572000；2.北京中船咨詢有限公司，北京 100000；3.上海蹊加船舶技術服務有限公司，上海 200000）

0 引言

一直以來，鋼材成本都是影響船舶制造成本一項重要因素。近年來，船用鋼材價格的飛速上漲導致船舶制造成本迅速增加。對船舶進行空船重量優化可有效降低資源消耗、減少建造成本。空船重量優化包括結構輕量化、結構簡化和結構標準化，在進行空船重量優化時需綜合考慮基本性能、結構可靠性、設計便利性、設計錯誤率、安全生產、營運便利性等因素。本文對空船重量優化和設計建造過程跟蹤控制的方法進行介紹，并通過實船案例對方法的可行性和有效性進行驗證。

1 空船重量優化方法

如圖1所示，船舶空船重量優化主要分4個階段進行：1）總布置階段。該階段需要完成初期總布置、艙室布置和機艙布置等工作，這部分工作決定空船重量優化效果的50%以上。2）結構布置階段。該階段需要完成主要肋位、主要甲板、主要縱向強力構建等主要結構的布置，這部分工作決定空船重量優化效果的 30%以上。3）詳細設計階段。該階段的主要工作在于優化局部結構，工作量大但優化空間不足 10%。4）生產設計階段。該階段主要是面向生產的制造工藝優化，幾乎沒有優化空間。

圖1 船舶空船重量優化技術路線

從概念設計到詳細設計階段均有很多船舶結構優化的經驗方法，不同經驗方法各不相同，但整體上的思路保持一致，均包括總布置優化、船體梁荷載最小化、舯部縱向部件優化、艏部和艉部貨艙內殼形狀優化、艏部和艉部船殼加強筋布局優化、主結構件布局和形狀優化等組成部分。

2 空船重量跟蹤控制方法

跟蹤控制空船重量在時間維度可劃分為8個階段：1）合同談判階段。設計部門預估空船重量。2）基本設計階段。對空船重量進行估算。3）詳細設計階段。首先要對基本設計的空船重量進行檢查核實，然后在大骨設計結束和詳細設計圖面完成90%時分別進行一次重量統計，最后則在圖面完成 100%時對變更部分的重量進行統計。4）生產設計階段。在三維模型完成時進行空船重量統計。5）采購階段。需要合理選擇廠家和鋼材規格。6）現場制造階段。跟蹤每塊鋼材，并計算空船重量。7）完工試驗階段。認真進行實驗，并統計完工時的空船重量。8）完工資料整理分析階段。對上述各階段空船重量的跟蹤數據進行分析，總結可有效控制空船重量的方法。

跟蹤控制空船重量有以下注意要點：1）利用大數據和最新優化的預估經驗公式，提高預估空船重量的準確性；2）提高作業者控制空船重量的意識，從主觀根本上跟蹤和控制空船重量；3）利用智能化的程序提高設計階段重量統計的準確性；4）增加設計過程中空船重量的統計次數，若不滿足要求需及時采取措施；5）多進行數據搜集，增加橫向、縱向空船重量數據的比較；6）合理安排人員，提高三維模型重量統計的準確性；7）對比分析鋼材廠家特點，選擇最優廠家和最合適的鋼材規格；8）從鋼材購入到船舶建造完成，跟蹤每塊鋼材，做到從源頭跟蹤記錄；9）選取合適條件，認真負責實驗，提高實驗的準確性；10）積累、總結各船的數據，整理成有效的參考資料。

3 空船重量跟蹤控制措施及技術路線

空船重量的跟蹤是控制空船重量的必要前提，只有各個階段及時準確的跟蹤才能給出及時有效地控制空船重量的方法。

控制空船重量最重要的階段是詳細設計階段，為保證在詳細設計完成時船體重量控制在基本設計目標值內，在詳細設計階段對結構圖面共進行4次重量跟蹤，分別為詳細設計初期、大骨完成后直接計算前、圖面發行前以及主要結構圖紙完成后。檢驗方法包括如下部分：1）確認各區劃的重量目標值設定是否合理；2）確認相連圖面的范圍劃分是否合理；3）確認左右舷的重量是否均有考慮；4）確認左右舷的重量是否一致；5）確認空間結構是否采用空間展開的長度和面積進行計算；6）確認圖面以外的重量（如舾裝品、輔機臺、吊耳補強、居住區防變形條材）是否已考慮；7）確認是否對將來可能會增加的重量進行預估；8）確認開孔的重量是否扣除。

空船重量跟蹤控制技術路線見圖2。

圖2 空船重量跟蹤控制技術路線

4 實船案例

在設計階段，若空船重量的余量太小，則需要通過技術手段對空船重量進行控制，其中控制重量最有效的區域是艏部、艉部和機艙。可通過降低廢料率和耗材輕量化等措施減輕空船重量、降低造船成本。

1）案例一

根據屈服強度計算得知某散貨船的一段板格所需板厚為 17 mm，根據屈曲強度計算所需板厚為17.4 mm，因此，將板厚設置為17.5 mm以避免屈曲。

此時可通過在板格中部加設一根縱梁以減少板厚，通過計算可知該情況的板厚可減少至17 mm。對于一塊板格，增設縱梁會增重0.052 t，板厚減少會減重0.164 t，板格凈減重為0.112 t。該散貨船共包括22個板格，共計可減重0.25 t。

2）案例二

在某些由強度而非剛度決定板厚的情況下，盡量選用高強度鋼。強度越高，許用應力越大，相同受力情況下所需的鋼材截面模量和截面積就越小，可有效減小板材厚度，進而有效實現減重。

3）案例三

居住區內部墻壁板承受載荷較小，設計時僅需考慮振動情況以及現場施工的方便性。某散貨船在設計時考慮現場施工的方便性，將居住區內部板厚設為7 mm。然而使用6 mm板厚足以滿足板格振動的要求。

經實驗驗證，改設6 mm板厚所節省的材料成本要高于矯正工作增加的人工成本，故最終設計將板厚由7 mm降為 6mm，由此減少居住區重量約11 t。

5 結論

空船重量不僅關系到合同指標，還與船舶建造與運營成本息息相關，因此控制空船重量一直都是船舶領域重點關注的話題。本文介紹了空船重量優化和設計建造過程跟蹤控制的方法，實船案例證明該方法可有效降低空船重量、節省建造成本。