船舶主船体结构设计的若干问题分析

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　　[摘 要]船体结构设计如同其它的工程设计一样，首先要知道设计应满足那些要求，采用什么方法进行设计。在设计的初期就需要结合现场的设备和施工程序，以及船厂本身的施工习惯进行结构设计，这样既能满足结构本身的强度又能兼顾到生产的需要，达到一种相对完美的设计。本文主要探讨船舶主船体结构设计的若干问题。
　　[关键词]船体结构；设计；问题分析；
　　中图分类号：TM121.1.3 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）09-0328-01
　　引言
　　对船体结构的设计要求大致包括以下几方面：可靠性，使用性，工艺性及维护性。其中最重要的是可靠性要求，它为船舶执行任务提供一个基础，可靠性规定了结构必须满足的应力，变形，稳定性以及动力特性等要求，目前这些要求主要反映在有关的规范，规则中。他们是根据理论计算分析，并且总结多年来航运经验制定出来，是结构设计的依據，结构设计之前要明确设计的依据。
　　1结构设计要求
　　船体结构的设计要求通常包括以下几个方面：可靠性，可用性，过程和可维护性。其中，最重要的是可靠性要求，为船舶执行任务提供了基础。可靠性规定了结构必须满足的应力，变形，稳定性和动态特性的要求。目前，这些要求主要体现在相关的规范和规则上。它们是在理论计算和分析的基础上，并总结了多年的航运经验来制定，是结构设计的基础，结构设计应在明确的基础之前。
　　该技术主要是考虑制造结构的设计，以确保质量。限于钢板的弯曲能力，板材不应太厚。为了充分利用自动焊接机，减少组装最多，提高劳动效率，骨间距不宜过小。为了降低施工成本，应尽可能使用轧制型材或标准型材。
　　可用性主要由船东提出。 例如，舱口尺寸不宜过小，以避免声音装卸效率和客船的总变形量不宜过大而影响乘客的恐慌。 设计中应考虑这些问题。
　　满足上述条件的船体结构的设计并不是唯一的。 设计水平的主要衡量标准是建筑成本。 船东和造船厂都注重经济效益。 如果减轻重量，则可以相应地增加速度。
　　2船体结构设计中应处理的三个问题
　　拖船是海上作业船舶，船体的结构强度是以一定质量与型式的建造材料为基础。它保证船体的结构具有足够的强度、刚度及稳定性，是设计者应首先考虑的问题。否则就有可能出现船体结构的变形、破坏，影响其使用寿命，甚至发生危及船舶及人命、财产安全的事故。但是，若构件尺寸过大，强度过剩，又会造成材料浪费、成本加大，造成船舶自重增加。有时甚至对局部强度产生不利影响。可见，这又是矛盾的。拖船长宽比小，稳性要求高，总纵强度要求小。我们在设计时，在满足船级社要求的前提下，尽量减少纵向构件尺寸，局部作加强。我们考虑到拖船每航次作业时间较长，又是多用途拖船，必须有足够的舱容积。拖船一般舱室多，舱小，施工工艺难度大，必须充分地考虑结构工艺性要求，最大限度地扩大分段建造范围。同时考虑减少立体分段，合理布置焊缝，尽量选择自动焊与二氧化碳气体保护焊，以减少焊接变形及焊缝总量，改善施工条件，避免在封闭狭小的环境下施工。尽量简化结构，使船舶结构型式与构件连接方式能兼顾建造施工及船舶的维修和保养。
　　3结构设计的过程
　　船体结构是很复杂的，它由许多构件组成，他们相互连接，相互影响，理想的方式是统一设计整个结构，但这是十分困难的，至少目前难以作到，为使设计能够进行，根据各部分结构的作用，以及它们之间连接特点，可把船体分成许多子结构进行设计，如船中纵向结构和横向结构，首和尾部结构，上层建筑等。实际上船检在建造结束时也是分段进行检验的。这些子结构之间互相影响，他们之间的组合决定了船体梁的特征，这些在设计之前虽然是未知的，但都与设计有关。
　　另外，船体受到载荷也是很复杂的，这不仅是因为海洋波浪的随机性以及对船的动力作用，而且载荷中相当一部分是由结构自身重量产生的，这部分载荷在事先难以准确计算，由于船体结构设计具有这样的特点，它决定了船体结构设计任务是艰巨的，不可能一次完成，整个设计是循环、迭代、由粗到精的过程。
　　4船舶主船体结构设计的若干问题
　　4.1纵、横向主要构件
　　《钢质海船入级规范》规定：“主要构件的布置，应确保结构的有效连续性，避免剖面或高度的突然变化。……液舱内的主要构件应构成一个连续性的支撑，并尽可能构成一个完整的环形框架。环形框架的接合处应做成具有足够半径的圆角”。CSR则进一步明确规定：“纵向构件的布置应确保强度的连续性。承受船体梁总纵强度的纵向构件应向船舶的端部连续延至足够的距离。特别是，应确保货舱区域内的纵舱壁包括垂直和水平主要支撑构件连续延伸至货舱区域以外”。“双舷侧结构应通过在双层壳体范围内设置强肋骨和舷侧纵桁进行全面加强。内舷侧结构，包括纵桁，在货舱区域内应保持连续，并延伸至货舱区域外”。
　　为有效提高船体的总纵强度，散货船的顶边舱和底边舱都是很强的三角形箱形结构，并且还有一个很强的双层底结构及一个很强的甲板结构。单壳体散货船货舱区域双层底高度除要满足总布置的要求外，还应满足规范对一般干货船的要求。散货船双层底结构多为纵骨架式，在机舱区域，至少每隔1个肋位上应设置实肋板，但在主机座、锅炉座、推力轴承座下的每个肋位上均应设置实肋板。横舱壁下和支柱下应设置实肋板。距首垂线0.2L以前区域应在每隔1个肋位上设置实肋板，其余区域每隔3个或4个肋位设置1实肋板。CCS规定，实肋板的最大间距为3.60m。船体中线面处应设有中桁材，但现代大型散货船已广泛应用箱型中桁材代替中桁材。在中桁材的两侧要设置旁桁材，CSR规范规定：“相邻桁材的间距一般应不小于4.6m或船底或内底普通扶强材的间距的5倍，取较小者”。当有隔舱装载时，一般每隔3～4个纵骨间距设置一旁桁材。另外，在中桁材和旁桁材以及管隧的侧板上可设置纵向加强筋，以满足稳定性的需要。
　　4.2甲板骨架
　　（1）横梁跨距l。一船应取甲板纵桁（纵舱壁）间或舷侧与甲板纵桁间距离中的大值，但不管何种情况，l值不能小于2m。
　　（2）甲板纵桁。1）跨距l：一般取相邻两横舱壁之间距离，但应注意甲板跨距中如有支柱等传递集中载荷时，应用计算法确定甲板纵桁剖面尺寸，不宜简单地用舱壁至支柱或支柱间距离的大值来作为l。2）支承面积平均宽度b：应取甲板纵桁间距或舷侧与甲板纵桁距离的1/2+甲板纵桁间距的1/2中的大值。
　　4.3顶边舱结构
　　散货船的顶边舱由甲板板、斜底板、舱口纵桁和一部分舷侧外板构成。顶边舱内一般采用纵骨架式的结构，横向设有环形的强框架以支持纵骨。横向强框架的间距应不大于6个肋距，框架腹板的高度不小于纵骨高度的2倍，其结构形式与底边舱基本相似。横向框架也可用开孔的板来代替。顶边舱四周的板上全部设置纵骨，各个角上都安装肘板，以增加节点处的刚性。
　　5结束语
　　船舶结构设计的过程实际上是一个科学的研究、论证、优化的过程。在满足强度的前提下，优化结构设计，尽可能地减少船体自重，提高载重能力。在选用船体构件材料规格时，主要考虑经济性；在保证船体强度和使用要求下尽量减少船体结构重量，以提高船舶的载重量。绝对不能盲目地追求超载状态的所谓“船舶强度”，导致船体自重增加，船舶建造成本的提高，船舶航速降低，营运收入减少，实际船体结构也未达到加强的目的。
　　参考文献：
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　　[2]陈静，张攀，肖汉林，周心桃，柯逸思，周巍. 大型舰艇多学科设计优化船体结构子系统设计方法[J].中国舰船研究，2013，05：
　　作者简介：第一作者刘崇阳，身份证号码：21130219911016041X
　　第二作者张迪，身份证号码：210283199103147518
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