船体结构设计及建造细节处理措施

船体结构设计及建造细节处理措施

郑凯奇,1, 王正平2

1.广船国际有限公司   511462

2.湖北省通城县关刀镇里港小学  437402

摘要：近年来，我国的船舶行业有了很大进展，船舶建设越来越多。船舶改装通常需要对旧船舱进行改造，如果客舱功能发生变化，则需要将旧的空罐更换为液罐，或将水箱更换为更高密度的深罐等。如何尽可能少增加新结构，减少现有施工量，是设计阶段思考和研究的重点。基于此，本文首先分析了船体结构设计理念，其次探讨了船体结构设计中的细节处理，希望能够为相关人员提供一定参考。

关键词：船舶；海洋工程；船体结构

引言

优化船舶结构是为了提高船舶的力学性能、降低经济成本、提升实用性能、增加工艺性能。优化原则是找到更匹配的结构尺寸和结构的组合方式。降低经济成本不是偷工减料，而是寻找更适合结构要求且价格经济的替代品，优化目标要建立在保证原有优势的基础上，提高船舶结构的强度和刚度，确保其稳定性，保证频率等。计算机分析和仿真结合应用到船舶结构优化设计上，优化后的效果事半功倍。人工智能和专家系统技术结合应用到船舶的智能结构设计上，已取得突破性进展。

1船体结构设计理念

在对船体结构进行设计时，可以根据船体结构的实际情况进行分析。按照船体建造任务量来看，船体结构的建造量是整个船体建造量的一半，船体结构设计好坏，将直接影响整个船体建造质量，而且船体结构建造十分复杂，所涉及的内容较多，使得船体结构设计综合性较高，所以为了确保船体建造质量，使船舶性能符合相关标准，设计人员在对船体结构进行设计时，必须了解相关知识，并加强与其他专业之间的联系，以此来确保结构设计的合理性，使船体结构设计符合相关要求。不仅如此，在建造船体结构时，需要明确建造要求，并根据工程的具体情况科学、合理设计船体结构，从而为船舶建造打下基础。同时设计人员还要加强与管理人员的沟通，使管理人员能够按照设计方案对整个船体建造工程进行管理，以此来保障船舶质量。

2船体结构设计中的细节处理

2.1合理改进分段接口

合理的改进分段接口对船体构造十分重要，设计人员在进行分段结构改造过程中，首先，要认识底仓框架的构造，在进行分段合拢时，只需要按照专业的方法进行填角焊船，专题能够加快分段焊接的速度，在高效完成的同时，适当地减少配套装置时使用的辅助制证材料，用合理的装置保证了专题的安全性和稳定性。其次，设计人员在进行分段改造的过程中，可用装备用的辅助支撑材料。

2.2加强船舶运动响应预测和结构强度评估

如果用一句话来概括船体结构的研究内容，笔者认为是：船舶运动响应预测和结构强度评估，主要包括响应分析、强度分析和承载力分析。响应分析是结构在规定荷载大小和振型下的响应，属于正问题。可以借用有限元软件工具建立模型，输入载荷、工作条件、边界条件，并输出美丽的云图。承载力分析是一个相反的问题，表明结构在哪种载荷模式下能承受多大的力，超过这个范围就会失效，失效模式主要包括屈服、屈曲、疲劳以及碰撞撕裂和折叠。强度分析中的强度是指在特定载荷下，在特定条件下比较结构不变形或失效的能力。如果输入荷载随时间变化，则进入结构动力分析领域；如果载荷是周期性的，则进入结构振动和噪声分析领域。一般来说，主要尺寸不是由结构因素决定的，而是由更一般的条件决定的，如吃水、航道宽度和所需的舱室或甲板面积。结构设计师的重点是确定所有构件的尺寸、位置和间距。在详细设计中，更详细地确定局部结构的几何形状和尺寸，如支架、连接、开口和加固。无论船舶大小，结构部门发布的技术文件通常是相似的。总平面布置图和剖面图确定后，结构可根据总平面布置图和规范要求绘制基本结构图和结构规范计算书。框架剖面图可以根据剖面图绘制，也可以从NAPA、MAXSURFsetrib等整体软件中导出到CAD，确定基本结构和框架图，可以绘制出横隔板、横截面图和壳体膨胀图，还需要绘制船基结构、首端图、尾端柱图、球鼻艏、舱底龙骨、轴封规范、黑色金属板等。为满足结构要求，绘制前还需要进行一些计算，包括总纵强度计算，板格、纵骨、板架和舱室的局部强度计算，总振动计算和局部振动计算。总振动的计算原理是迁移矩阵法，局部振动的计算原理是能量法。可以使用有限元软件进行计算，也可以使用一些小程序，所谓的小程序就是公式推导加FORTRAN这个小计算器，编程和调试程序的过程比较痛苦，一旦编译后应用就非常方便；如果使用有限元方法，初步建模工作将非常庞大。值得注意的是，有限元理解存在一个误区，即有限元计算不能脱离规范，结构尺寸的前提仍然必须符合相应规范。

2.3尺寸优化的应用

结构构件尺寸优化不能盲目地以降低结构安全余量，牺牲结构的安全性为代价。尺寸优化适用于全船各个角落的结构构件，因此细节工作有很多，总工作量较大，其中包括所有构件板厚的设计和骨材的剖面优化等。这样做虽然能很可观地减轻结构的总重量，但有可能增加构件损伤、加大局部振动响应、增加船级社退审意见率，因此结构设计师在进行尺寸优化时，除了要通过全面细致的计算满足规范中各种强度的衡准要求之外，还要考虑整体和局部板架振动频率是否与主要激振频率重叠。此外，盲目追求减轻空船结构重量也有可能导致建造结构所用型材的种类、屈曲加强筋、肘板和补板的数量急剧增加，给船厂施工带来诸多不便，引起船体建造成本增加。因此，需在空船结构重量与结构零件数之间取得平衡。

2.4加强船舶运动响应预测和结构强度评估

如果用一句话来概括船体结构的研究内容，笔者认为是：船舶运动响应预测和结构强度评估，主要包括响应分析、强度分析和承载力分析。响应分析是结构在规定荷载大小和振型下的响应，属于正问题。可以借用有限元软件工具建立模型，输入载荷、工作条件、边界条件，并输出美丽的云图。承载力分析是一个相反的问题，表明结构在哪种载荷模式下能承受多大的力，超过这个范围就会失效，失效模式主要包括屈服、屈曲、疲劳以及碰撞撕裂和折叠。强度分析中的强度是指在特定载荷下，在特定条件下比较结构不变形或失效的能力。如果输入荷载随时间变化，则进入结构动力分析领域；如果载荷是周期性的，则进入结构振动和噪声分析领域。一般来说，主要尺寸不是由结构因素决定的，而是由更一般的条件决定的，如吃水、航道宽度和所需的舱室或甲板面积。结构设计师的重点是确定所有构件的尺寸、位置和间距。在详细设计中，更详细地确定局部结构的几何形状和尺寸，如支架、连接、开口和加固。无论船舶大小，结构部门发布的技术文件通常是相似的。总平面布置图和剖面图确定后，结构可根据总平面布置图和规范要求绘制基本结构图和结构规范计算书。框架剖面图可以根据剖面图绘制，也可以从NAPA、MAXSURFsetrib等整体软件中导出到CAD，确定基本结构和框架图，可以绘制出横隔板、横截面图和壳体膨胀图，还需要绘制船基结构、首端图、尾端柱图、球鼻艏、舱底龙骨、轴封规范、黑色金属板等。为满足结构要求，绘制前还需要进行一些计算，包括总纵强度计算，板格、纵骨、板架和舱室的局部强度计算，总振动计算和局部振动计算。总振动的计算原理是迁移矩阵法，局部振动的计算原理是能量法。可以使用有限元软件进行计算，也可以使用一些小程序，所谓的小程序就是公式推导加FORTRAN这个小计算器，编程和调试程序的过程比较痛苦，一旦编译后应用就非常方便；如果使用有限元方法，初步建模工作将非常庞大。值得注意的是，有限元理解存在一个误区，即有限元计算不能脱离规范，结构尺寸的前提仍然必须符合相应规范。

2.5结构设计时间成本控制

结构设计时间成本控制也是船体建造成本控制中的重要一环，不仅直接关系到船厂能否及时交船，而且直接决定留给船厂进行生产设计的时间，间接影响到船厂结构的建造成本。首先要设法减少设计团队内部的沟通时间成本和设计返工。团队协作精神一直是设计师极为重要的个人素质之一。整个设计团队中的各成员之间若能良好地沟通协作，有助于大幅缩短设计周期，节省大量的工时成本。通过充分地进行市场调研获得最佳的船型优化需求信息，以避免设计师多走弯路，在最短的时间内设计出受市场欢迎的船型;通过全周期的三维参数化设计提高设计的效率，以节省设计师的时间;通过应用现代化生产管理系统降低结构设计师的内外部沟通时间成本。以上均是控制设计时间成本的重要手段，也是各设计单位正在运用的技术手段。

结语

综上所述，船体结构建造成本控制是一项系统工程，需从大处布局，从细节做起。结构设计师要对船体结构成本控制的各个环节和技术要点进行统筹规划，与设计团队内的各位成员精诚合作，智慧地分配自己的精力、体力和心力，善于将复杂问题分解为多个简单问题。不管是宏观总布置还是微观细节设计，都应经过反复计算论证和自我否定。同时，要重视技术创新和再学习，不断地实现设计技术改进，与包括船厂生产设计在内的整个设计团队一起，共同完成整个建造周期的船体结构成本控制。

参考文献

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