船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方式的分析與闡述

丁長成

摘要：船舶是復(fù)雜的水上工程建筑，造價(jià)高、航行環(huán)境復(fù)雜、惡劣，在航行途中還可能遭受各種意外。因此，必須認(rèn)真做好船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以確保船體具有良好的使用性能與適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)強(qiáng)度。本文將對(duì)船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方式進(jìn)行分析、闡述，希望本文可以為船舶設(shè)計(jì)工作者提供一些參考。

關(guān)鍵詞：船體結(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì)方式；分析

船體結(jié)構(gòu)決定船舶的質(zhì)量。船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，必須考慮到各個(gè)方面，同時(shí)必須重視各個(gè)細(xì)節(jié)。

一、船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須遵循的原則

（一）安全性

船舶是漂浮在水面上、可以運(yùn)動(dòng)的工程建筑，因此，船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)須確保船體具有一定的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性，使船舶可以抵御各種外力作用而不會(huì)發(fā)生結(jié)構(gòu)損壞。

（二）高性價(jià)比

船舶造價(jià)昂貴，船舶建成后會(huì)投入較長時(shí)間的航運(yùn)。因此，船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須高度重視性價(jià)比：在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下，應(yīng)盡可能減少結(jié)構(gòu)重量，盡量選擇價(jià)廉質(zhì)優(yōu)的船舶材料[1]；進(jìn)行結(jié)構(gòu)布置，選用構(gòu)件尺度，必須便于船舶營運(yùn)。此外，設(shè)計(jì)師還應(yīng)根據(jù)船舶設(shè)計(jì)用途、輪機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在船體上合理布置各種機(jī)器、設(shè)備、儀表。

二、船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方式

（一）研究船舶的具體情況

在設(shè)計(jì)船體前，設(shè)計(jì)師首先必須詳細(xì)研究船舶的具體情況：船舶航行的區(qū)域（包括是否存在限航區(qū)，以及航行的區(qū)域?qū)儆诮！⒀睾！⑦h(yuǎn)海還是江河），船舶的用途（客運(yùn)、或貨運(yùn)），船舶承受的載荷（在船舶建筑過程中，船體會(huì)承受加工、焊接產(chǎn)生的剩余應(yīng)力、變形校正應(yīng)力、吊運(yùn)力、下水力；在船舶營運(yùn)過程中，船舶會(huì)承受自身重力與裝載重力，靜水壓力，波面水壓力，波浪沖擊力、振動(dòng)慣性力，等等），船舶的重量分布（包括主船體重量、上層建筑重量、舾裝重量、輪機(jī)重量、發(fā)電機(jī)重量、電氣設(shè)備重量等），確定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的整體構(gòu)想[2]。

（二）確定船體結(jié)構(gòu)的形式

船體結(jié)構(gòu)可分為橫骨架式、縱骨架式、縱橫混合骨架式三種形式。

1、橫骨架式

船體中的橫向構(gòu)件沿船的長方向密集排列，間距較小；縱向構(gòu)件沿船的寬方向稀疏排列，間距較大。橫骨架結(jié)構(gòu)須在每一個(gè)肋位上設(shè)置肋板，肋板高度≤10厘米時(shí)，搭接長度應(yīng)不小于肋骨高度的2倍。肋板高度超過10厘米時(shí)，搭接長度應(yīng)不小于肋骨高度的1.5倍。

橫骨架式結(jié)構(gòu)簡單，建造容易，可保證船體具有較好的橫向強(qiáng)度與局部強(qiáng)度，適用于對(duì)縱向強(qiáng)度要求不高的內(nèi)河船舶和沿海中小型船舶（航行距離不超過海岸以外20海里）。

2、縱骨架式

船體中的橫向構(gòu)件沿船的長方向稀疏排列，間距較大；縱向構(gòu)件沿船的寬方向密集排列，間距較小[3]。

縱骨架式結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，但可以使船體具有較高的總縱強(qiáng)度，主要適用于大大型油船、遠(yuǎn)洋貨船或礦砂船等。

3、縱橫混合骨架式

強(qiáng)力甲板與船底結(jié)構(gòu)采用縱骨架，下甲板、舷側(cè)采用橫骨架。

縱橫混合骨架式結(jié)構(gòu)可以保證船體具有較高的總縱強(qiáng)度與橫向強(qiáng)度，同時(shí)減輕了結(jié)構(gòu)重量，簡化了施工工藝。但在連接節(jié)點(diǎn)處容易產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中。該結(jié)構(gòu)主要適用于大中型散裝貨船。

（三）設(shè)計(jì)外板

外板保證船體的水密性與船體的總縱強(qiáng)度，賦予船舶漂浮能力。在船舶航行過程中，外板須承受橫向載荷（包括貨物荷載、上浪壓力）與波浪的拍擊載荷。而拍擊載荷又與船舶的長度、航速、船型有很大的關(guān)系。船長120～140米、航速11～19節(jié)的船舶，其外板易受波浪拍擊損傷。與V型船舶相比，U型船舶外板更易受波浪拍擊損傷。

外板尺度須根據(jù)平板龍骨的寬度與厚度確定。設(shè)計(jì)師還應(yīng)合理分布外板的厚度：在船體中段（0.4×船長）區(qū)域外板厚度應(yīng)適當(dāng)加大，在船首、船尾區(qū)域（0.075×船長），外板厚度可逐漸降低。

外板排列須沿船的長方向縱向布置，平行板縫之間的間距必須超過20厘米，角焊縫與板縫之間的間距必須超過7.5厘米。外板分段縫處應(yīng)保留3～5厘米的長度與寬度的富余量。

（四）設(shè)計(jì)甲板

為增強(qiáng)船體總縱強(qiáng)度，應(yīng)增強(qiáng)上甲板厚度。上甲板中部（0.4×船長）區(qū)域厚度應(yīng)增大，船首、船尾兩端甲板厚度應(yīng)逐漸降低。船舶中部甲板邊板寬度應(yīng)保持一致，船首、船尾兩端的甲板邊板寬度可逐漸縮小。

（五）設(shè)計(jì)船底結(jié)構(gòu)

船底結(jié)構(gòu)可分為單層底結(jié)構(gòu)與雙層底結(jié)構(gòu)。

1、單層底結(jié)構(gòu)

橫骨架單層底結(jié)構(gòu)較為簡單，但抗沉性差，主要適用于小型船舶；縱骨架單底結(jié)構(gòu)同樣比較簡單，但缺乏防漏性。

2、雙層底結(jié)構(gòu)

雙層底結(jié)構(gòu)由船底板、內(nèi)底板、舭列板、骨架、內(nèi)底邊板組成。可增強(qiáng)船體的總縱強(qiáng)度、橫向強(qiáng)度，提高船舶的抗泄漏能力與抗沉性。

船底板中平板龍骨的厚度必須超過船底板厚度2毫米以上，其寬度不能超過180厘米。

在船中段（0.75×船長）區(qū)域內(nèi)，龍骨不能開減輕孔或人孔。其它區(qū)域的龍骨可以開孔，孔的高度應(yīng)在龍骨高度的40%左右[4]。

旁桁材應(yīng)對(duì)稱設(shè)置于龍骨兩側(cè)，并與龍骨保持平行。旁桁材的厚度應(yīng)比龍骨減少3毫米，但不能低于肋板的厚度。

對(duì)于橫骨架式雙層底結(jié)構(gòu)：船的寬方向超過10米時(shí)，龍骨兩側(cè)應(yīng)設(shè)置1道旁桁材；當(dāng)船的寬方向超過18米時(shí)，龍骨兩側(cè)應(yīng)設(shè)置2道旁桁材，旁桁材的間距應(yīng)在4米以內(nèi)。

對(duì)于縱骨架式雙層底結(jié)構(gòu)：船的寬方向超過12米時(shí)，龍骨兩側(cè)應(yīng)設(shè)置1道旁桁材；當(dāng)船的寬方向超過20米時(shí)，龍骨兩側(cè)應(yīng)設(shè)置2道旁桁材，旁桁材的間距應(yīng)在5米以內(nèi)。

結(jié)束語

船體設(shè)計(jì)是復(fù)雜的工程。設(shè)計(jì)師必須考慮各種因素、各方面的問題與各個(gè)細(xì)節(jié)，分階段進(jìn)行精細(xì)化設(shè)計(jì)，才能使船體更加可靠、實(shí)用。

參考文獻(xiàn)

[1]宮利軍.船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與建造的細(xì)節(jié)處理研究[J] .中國設(shè)備工程，2018（24）：121-122 .

[2]張現(xiàn)普.淺談船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及建造的細(xì)節(jié)處理[J] .科技風(fēng)，2018（20）：110 .

[3]湛豐波.現(xiàn)代不同類型船底結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)重點(diǎn)研究分析[J] .中國水運(yùn)（下半月），http：//kns.cnki.net/kcms 2017，17（07）：1-2 .

[4]吳海冬.船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方式的分析與闡述[J] .中國設(shè)備工程，2017（06）：139-140 .

（作者單位：大連紅東方船舶工程有限公司）