船舶主體結構設計相關問題及對策

常永輝

摘 要：船舶結構設計是一項十分復雜的工作，既要考慮可靠性、使用性等因素，又要兼顧制造工藝性、經濟性等方面的要求。近年來，隨著船舶發展的日益大型化、高速化，船舶結構設計要求越來越高，尤其是船舶主體結構設計，成為影響船舶航速及續航能力的關鍵。基于此，本文分析了船舶主體結構設計的要求，闡述了船舶主體結構設計應考慮的因素，并提出了船舶主體結構設計的對策，以期為相關設計人員提供借鑒與參考。

關鍵詞：船舶；結構設計；考慮因素

中圖分類號：U661 文獻標識碼：A

船舶航運過程中容易受到惡劣工作環境的影響，且船體時刻處于多重荷載的影響，這對船舶結構設計提出了較高要求。在船舶主體結構設計過程中，應針對縱橫向構件、底邊艙結構、箱形中桁材、構件連接等進行重點設計和研究，以切實提高設計可靠性，保證船舶航運安全。

一、船舶主體結構設計的要求

船舶主體結構設計過程中，要綜合考慮航運可靠性、船舶使用性、生產工藝性、維護便捷性等多方面因素，其中尤以可靠性因素最為關鍵。在設計船舶主體結構時，必須嚴格依據相關設計規范，科學選取設計依據，這是保證船舶結構穩定性的先提條件。船舶設計最終是為船舶制造服務的，因此所設計出來的結構必須易于制造，便于進行質量控制等活動。一般情況下，船舶主體結構要盡可能多地使用標準化型材或者軋制型材，各骨材間要保持合理的間距，這樣一方面有利于提高船舶制造的工藝性，另一方面也易于開展各項成本控制工作，提升船舶制造的經濟性。使用性也是船舶主體結構設計的重要考慮因素，例如，在設計貨船時要提前規劃好艙口尺寸的大小，避免因艙口過小而對對貨物裝卸造成不便；在設計客船時要設法減小船體的總變形，防止航運過程中出現過大變形而造成乘客的不適或恐慌。

二、船舶主體結構設計的考慮因素

1.工作環境

船舶在營運期間長時間地與海水等腐蝕性介質接觸，很容易出現結構腐蝕問題，若保養工作跟不上，腐蝕不斷加重，最終可能出現構件銹穿，導致船體強度大幅下降。與此同時，受不良氣候、波浪拍擊、貨物裝卸等方面的影響，船體很容易出現疲勞性損傷，在腐蝕與疲勞損傷的雙重作用下，很可能出現船殼破損進水等嚴重事故。同時，船舶航行過程中，不可避免地會受到波浪的沖擊，這種沖擊輕則造成船體外板腐蝕、變形，重則引發船體中垂彎曲等問題，使船體應力出現較大變化。此外，當船舶遭遇大的浪涌沖擊時，波浪反復交替作用，會使船體扭曲、中垂等負面狀態進一步惡化，嚴重時會造成荷載分布的嚴重失衡，影響整個船舶的航行安全。

2.船體載荷

船舶航運期間，同時受到多重荷載影響，如船體自重、海水浮力、風力、慣性力、物資壓力等，此外，個別情況下還可能產生爆炸、撞擊等突發性荷載。在設計船舶主體結構過程中，應充分考慮上述荷載的影響，通過一定的結構設計來抵消、分散不良荷載的影響，保持船舶整體荷載均衡。船舶主要荷載分布情況如圖1所示。

三、船舶主體結構設計相關問題及對策

1.縱橫向構件

在設計船體的主要構件時，應保證結構具有較好的連續性，盡量不要出現結構斷層或高度、剖面上的突變。通常情況下，可將主要構件設計成完整的閉環框架，且把框架上各接合部位設計成具有一定半徑的圓角狀，形成平滑、連續的船體支撐結構。如果是縱向構件，在設計時應確保強度的連續性，個別縱向部件直接關系到船體梁總縱強度，在布置時應將其向端部延長足夠的距離。尤其是在貨艙設計中，需將位于貨艙部分的縱艙壁中幾個關鍵支撐構件延伸至貨艙外部，并在雙層殼體部分進行加強處理，通常做法是加設強肋骨和舷側縱桁。

為保證船舶總縱強度，建議將散貨船的頂邊艙與底邊艙都設計為高強度的箱型三角結構，同時輔以高強度的雙層底結構。對于單殼體散貨船，在設計貨艙部分的雙層底高度時，不但要考慮總布置要求，還必須符合規范中對于普通貨船的設計要求。散貨船所采用的雙層底一般為縱骨架式結構，在機艙部分，建議設置主肋板，一般每隔一個肋位設一個即可，如果肋位處于主機座、鍋爐座等基座下方，則必須設置主肋板。距艏垂線0.2L以內可以每隔一個肋位設置一個主肋板，其他部位可以每隔3或4個肋位設一個。根據中國船級社相關規定，主肋板的間距不得超過3.6m，船體中縱刨面需要設置龍骨，但目前大型散貨船大都以箱形龍骨取代之。龍骨兩端應設置旁龍骨，根據新版船舶結構共同規范，兩個相靠龍骨的間距應保持4.6m以上，抑或船底一般扶強材間距的5倍以上，在實際設計中，可以取其中較小者。

2.底邊艙結構

船舶底邊艙斜頂板和雙層底內底板交接處可以采用焊接連接或圓弧連接兩種不同形式。如果采用焊接方式，旁龍骨必須和斜頂板保持對齊，且內底板伸出旁龍骨的部分不得大于5cm，若伸出部分過長，在后續焊裝橫向框架上的扇形補板時會遇到一些麻煩。同時，內底板伸出部分的末尾需設計為圓形，各構件之間一定要焊透。

船舶貨艙部分的底邊艙斜頂板采用縱骨架式結構，船舷與底板交接的彎曲部分不做特別要求，采用橫骨架或縱骨架式結構皆可，但一般以前者居多。

船舶底邊艙斜頂板和內底板面應當保持45°～50°左右的夾角，肋板處需要設置橫向強框架，以對縱骨起支撐作用，同時框架上需要設置足夠大的通道孔，通道孔邊緣用扁鋼做加強處理，且扁鋼和縱骨間通過加強筋進行穩固。縱骨穿過通道孔的部分需要安裝補板，補板與兩層底板及船舷外板相連，具體尺寸大小可參照相關規范來決定。

3.箱形中桁材

箱形中桁材俗稱箱形龍骨，可設置于散貨船雙層底中線面處，用來取代普通龍骨。箱形龍骨由兩道平行設置的水密性側板與骨材、內外底板等組成。箱形龍骨通常用來對管系進行集中布設，防止管道從貨艙直接穿過而影響裝卸作業。在機艙前端壁上需設置通往箱形龍骨的人孔，并安裝水密裝置，以便工作人員進入其中開展檢查活動。同時，在箱形龍骨與露天甲板之間也要設置一個應急通道。箱形龍骨的側板厚度不得小于水密肋板，為確保船舶進塢后底縱桁可以順利擱置到墩木上，應將兩側板間距控制在2m以下。同時，考慮到橫向強度被削弱，對于箱形龍骨部分的船底板、內底板需略微增加厚度，以提高強度。箱形龍骨內可用橫向骨架取代肋板，骨架可采用環形架或船底橫骨等形式。肋骨和肋板之間可以采取搭接的方式，且搭接長度至少要達到肋骨高度的5/4倍，以確保受力的均勻傳遞。

4.構件連接

構件連接向來是船舶結構設計的重點，船舶主要構件之間的連接形式有3種：一是設置連接肘板；二是采用整體式端肘板；三是設計成整體型，具體如圖2所示。

在具體設計過程中，可利用疲勞強度校核等手段，對各結構節點進行優化改進，確保船體構件尤其是受交變載荷影響的構件具有一定的抗疲勞性，進而提高其使用壽命。船舶貨艙部分的船舷一般設計為橫骨架式結構，各肋位的端部均做成軟趾狀，起到分散節點應力的作用，減輕構件所受到的疲勞損傷。在縱向強構件的間斷處，應采取相應的過渡處理，確保結構整體的連續性，防止出現應力集中的情況。

結語

船舶主體結構設計是一項科學性極強的工作，同時也是一個動態優化、不斷改進的過程。設計人員要在堅持相關設計原則的基礎上，不斷對結構設計進行優化調整，在確保船體結構強度的同時，盡量減輕船體自重，提高船舶航運的經濟性，充分發揮船舶的使用性能。

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