高速船舶船体构件的稳定性

高速船舶船体构件的稳定性

刘杨

江苏新扬子造船有限公司 , 江苏 靖江 214532

摘要：本文从影响船体构件稳定性的因素出发，简要探讨了高速船舶船体构件的稳定性，并对高速货船新技术进行了一些展望。现如今，随着高新技术和交通运输业的发展，客、货船舶运输业面临着高速铁路、高速公路、航空运输的严重挑战，正在经历着高速和高效运输技术的变革。

关键词：高速船舶，船体构件，稳定性，探讨分析

1前言

船体结构设计涉及到方方面面，其影响因素多如牛毛，不同的因素之间难免会出现各种矛盾。如何处理好这些矛盾，使设计出来的船体具有恰当的强度和良好的技术经济性能是设计者必须考虑的问题，这同时也对结构设计者提出了更高的要求。强度与重量的矛盾是诸多矛盾中的一个。保证船体结构具有足够的强度、刚度及稳定性是设计者首先考虑的问题，否则会造成结构损坏或者变形过大、危及安全，影响使用，甚至会造成更为严重的后果。虽然可以加大构件尺寸来提高强度，但是结构尺寸过大，强度过剩，会造成钢材消耗上升，重量增加，使建造成本提高并减少船舶载运能力，也与经济性相悖。所以高速、高性能船舶的结构重量控制尤其严格，这样也对结构设计的合理性要求就更高了。

2影响船体构件稳定性的主要因素

船体结构的板、主要支撑构件及普通骨材都要经过屈曲校核。这是各国船级社规范明文规定的。校核准则是载荷引起的压缩应力和剪应力不能大于构件的许用临界屈服应力。屈曲准则本质上是外部因素（如载荷、建造工艺———焊接、温度变化）与内部因素（构件抵抗压缩能力）之间的较量。

2.1外部因素

载荷是影响构件稳定性的最主要、最重要的外部因素。作用于船体上的载荷分类、装载状态及载荷工况，以及产生的应力（其中包括引起屈曲的压应力），各国船级社的建造规范都有详细说明和较为明确的计算方法。载荷引起的屈曲控制已经达到完善的程度。焊接过程产生的应力属于固有应力（也称内应力、原始应力、残余应力），是指没有对物体施加面力或体力（惯性力、万有引力）时断面上存在的应力。焊接过程产生的应力通称为焊接固有应力，简称焊接应力。焊接应力的基本性质是自身平衡。在焊后构件断面上的拉应力之和等于压应力之和。固有应力的另一性质是，在受外界作用（载荷、温度变化等）时发生变化，此时，自身平衡受到破坏。当外界作用消除以后，它仍然维持自身平衡，但数值可能会变小。在研究构件屈曲时，要应用这两个基本性质，焊接压应力是使构件屈曲的仅次于载荷的另一个重要因素。屈曲校核必须包括焊接压应力。对建成的船体结构环境温度变化一般不致于引起构件屈曲。

2.2内部因素

结构稳定性理论指出，构件抵抗屈曲的能力与载荷大小、方向、材料性能、构件尺寸及边界条件等因素有关。

3高速船舶船体构件的稳定性

3.1强度及稳定性

实例计算中将各方案与原方案进行比较,发现方案2、方案3可以使弯曲应力下降,强度有所提高;但是,方案2仍不满足落舱甲板的稳定性要求,而结构重量比原方案分别增加332.04kg和898kg;而方案1,方案3可以使许用临界应力得到提高,既满足了强度的要求,又使稳定性得到明显的改善,结构重量比原方案分别增加188.4kg和898kg。各方案分析表见图1

图1各方案分析表

3.2综合技术经济性

在船体结构设计的过程中，增加构件的尺寸会使船舶构件的强度和稳定性得到保证。但构件尺寸的增加也势必引起构件重量的增加，结构重量的增加会使排水量贮备减少,高速船舶排水量储备较小,可调的余地有限,会给船舶性能调整造成困难;结构重量的增加又会减少载重量或载客量,影响船舶的经济性能。

船体结构设计过程中，在保持该船其他结构不变并满足强度的前提下,方案1、方案3具有相同的许用临界屈曲应力时,方案1比方案3少709.6kg的重量。也就是说，方案1既能保证船体结构的强度和稳定性，又在一定程度上减轻了结构重量，节省了钢材，达到良好的经济性能。经估算，方案1比方案3可增加载重量2.7%，或载客可增加4%。

4高速货船新技术展望

日本等国曾经研制出高速集装箱货船，可装载3500个集装箱，船速达到25节。也建造了可装原油28万吨，航速15节以上的大型油轮。随着推进装置、船体材料、船重支持方式等新技术的发展，各国正在深入开发大型、高速货船。新型高速货船是有效地利用了各具特色的船重支持方式，取长补短组合成新型船舶。

4.1空气压力式支持船型

本船型为了在船体下部密闭空气，使两侧船体沉没于水中，采用称为密封材料的挠性薄膜材料覆盖在船的前后部，使气压室与外界隔离，船体制成流线型。船在停泊状态中,利用船体的浮力支持全部船重。航行时利用浮升送风机，据高船体下部空气压力，使船体浮升、减少船体与水的接触面积,从而可以减少船的航行阻力，再利用推进器的推力使船舶可以实现高速航行。

下面就来叙述空气压力式复合支持船型的结构。在船体部分形成保持空气压的气压室.另外，为进一步减少船体航行时的阻力，船艏、船艉均设有密封装置、另与外界隔绝，使内部保持充裕的空气压力。为使气压室的气压数值高于大气压，达到规定的压力值，安装了由燃气涡轮驱动的送风机，以及由燃气涡轮驱动的喷水推进器，以实现高速推进的目标。另外，为了控制波浪中航行时产生的船体摇晃，利用气垫压力控制排气口，进行船体的姿态控制。

4.2升力式复合支持船型

本船型组合升力与浮动支持方式，由上部船体,全沉没浮力体的下部船体、全沉没水翼及支柱构成。船在停泊状态下上部船体着水，利用下部船体与上部船体的浮力支撑全船的重量。随着开始航行后船速的增加，全沉没水翼产生升力，慢慢地浮升船体，利用升力支撑船重方式取代由浮力支持船重的方式船速进一步增加达到通常航行状态时升力支持总重量的50%。浮力支持余下船重的50%。上部船体离开水面悬空，成为翼行状态。

在翼行状态下，贯通水面的部分只有支柱，由于上部船体被支持在波浪顶部，下部船体与全沉没水翼沉没于波浪谷底，不容易受到波浪的影响。全沉没水翼是安装于潜水体上，位于下部船体两侧，与上部船体等宽，翼的两端由下部船体与两侧支柱支持。下部船体设有中心支柱。与两侧支柱同时支持上部船全沉没水翼是安装于潜水体上，位于下部船体两侧与上部船体等宽,翼的两端由下部船体与两侧支柱支持。下部船体设有中心支柱,与两侧支柱同时支持上部船体。上部船体除了设有货物仓之外，还安装了燃气祸轮驱动的喷水推进器，用于推进船舶的水由下部船体附近吸入，经过支柱进入喷水推进器。另外，通过操纵安装在全沉没水翼后缘的襟翼，增减产生的升力，以进行船体的姿态控制。

5结语

采用高速船舶运输是当今日本、德国等工业发达国家普遍的发展趋势。开发这一技术的主要途径有两个方面，即采用适宜于水中或水面等高速航行的船舶形状，获得优于以往排水形式的船舶综合性能；另一方面是采用新颖的推进方式，例如目前航速超过30节的高速船大量采用了喷水推进方式以取代传统的螺旋奖推进方法。日本还研制了超导电磁推进船舶，大幅度地提高了航速及平稳性。

参考文献

[1]林滨.国际高速船市场管窥[J].中国远洋航务公告,1999(04):68-69.

[2]林文正.再论高速船发展中的问题与对策[J].水运科技信息,1998(03):64-65.

姓名：刘杨，性别：男，出生年月：1989.06，民族：汉，籍贯：江苏江阴，学历：硕士，职称：工程师，研究方向：船舶船体详细设计