船舶主體結構設計相關問題及對策

徐光旗 趙明超 吳桂軍

摘要：隨著我國經濟的發展，我國對外貿易出口量不斷增加，在對外銷售的貨物中，一大部分都是通過海上航線完成的，因此，國家開始越來越重視船舶的設計和運行管理。船舶的設計工作非常復雜，尤其是其主體結構設計，既要考慮船舶航行環境因素，又要考慮荷載要求，這在一定程度上增加了主體結構設計難度。在實際的設計工作中，要結合船舶實際的運行情況，分析其運行中可能遇到的問題，進行優化設計，提高船舶設計質量。基于此，本文簡要探討了船舶主體結構設計的相關問題及處理對策。

關鍵詞：船舶；主體結構設計；問題；對策

引言

在船舶主體結構設計時，需綜合考慮其實用性、可靠性和經濟性。對于其主體結構的設計標準首先要能滿足船舶惡劣的工作環境，其次是經常會遇到的滿荷載運行，這些限制條件決定了必須重視船舶的結構設計，在設計中，要采用可靠的船體材料和連接工藝保證船體質量。

一、結構優化和重量控制

在船舶設計中，船用設備、鋪管設備較多、系統也較復雜，這從一定程度上對設計管理和船舶管理增加很大難度。在設計中，要從基本設計到詳細設計，不斷的進行結構優化，控制好船舶重量。重量控制是船舶設計和建造過程中一項非常重要的工作，隨著設計的深入，設備的制造的不斷融入以及現場建造的不斷推進，重量和重心隨時都在變化，設計前期的余量也會不斷減小，如何做好每個階段的有效控制和管理，在不影響船舶性能、建造計劃和交船期的前提下建造出既滿足客戶需求，又滿足實用性和經濟性的要求是值得行業內人員不斷研究的。

1、重量控制的目的

在船舶主體結構設計中，為了保證船舶運行的安全性和經濟性，可以盡量降低船舶自身重量，這樣既可以提升荷載能力，又可以滿足船舶總體性能，盡可能的降低成本。

2、空船重量內容

在船舶設計中，通常船舶自重包含船體結構、設備和舾裝件、船用備件及各類綜合管道。

3、控制階段

空船重量控制主要分為設計階段控制和建造階段控制，其中設計階段又分為總體預估階段和詳細設計、生產設計控制階段。生產設計階段主要是指從鋼板切割到傾斜試驗期間。

4、結構優化

為了控制好船舶重量，在主體結構設計中就要做好優化設計，從船體構件尺寸、外形和拓撲結構上采取措施進行降低船舶自重，一般較常用的就是尺寸優化，主要是優化各構件的截面尺寸，比如優化板厚和型材規格。形狀優化是結構優化的較高層次，如修改底端部連接樣式、構件幾何形狀等。拓撲優化是更高層次的結構優化，即對結構布局進行優化，比如根據區域特點選用橫骨架結構、縱骨架結構或者橫骨架、縱骨架混合式結構等。結構優化一般結合材料的許用應力、極限強度等在有限元分析等計算機輔助下完成。

二、船舶主體結構設計細節處理對策

1、輔助支撐

在進行分段設計的過程中，要對輔助支撐加以設置，才能確保船體整體的穩定性，而實際情況是，工作人員在設計實踐中非常容易將輔助支撐忽視造成質量問題的出現。作為一名船舶生產建造人員，應該充分意識到輔助支撐的重要作用，結合實際情況，及時和設計人員之間做好溝通交流，聽取各方意見，對輔助支撐建造加以優化，建造工作的開展應該著眼于質量和安全，只有保證輔助支撐的合理性才能保證船只產品的應用性能。

2、分段接口

對船體分段接口的設計屬于船體設計工作中的重要內容，對分段接口的優化，能夠使設計效果更為完善：

（1）有利于促進船只分段裝配工作的順利開展。傳統理念下的分段設計工作是將各艙體分為相對獨立的分段，P型分段可能會造成船體中心的分布不夠均勻，這種不均勻的分布需要后期通過輔助支撐進行彌補，來改進船體結構。在設計中，可以采用增設面板的形式使船舶形成R型分段，從而實現對分段裝配工作的簡化。不但能提高焊接工作的效率，還能提高船體的安全性。

（2）大幅降低船舶舾裝件的工作量。通常情況下，機艙可以分為機房雙層底、上平臺以及下平臺等多個分段。機艙雙層底部分的外板以及前端壁需要高出雙層底約100～150mm。而這樣的設計會造成雙層底舾裝設置在安裝的過程中工作量大幅提高。所以，要對前期設計階段加以全面優化，在艙前壁對接口位置設置一個立板，高出內底約1000mm，從而讓全部舾裝設備在進行分段安裝的過程中，呈現出更強的精準性，大幅縮短工時。

3、通焊孔

對通焊孔的設計需要符合船體整體安裝與應用需求。設計人員需要結合船舶的實際應用需求對通焊孔半徑和切角等加以合理設計。考慮到船舶實際運行中哪些位置為高應力區，在這些位置的通焊孔就需要進行補板設計，而過多的補板設計會增加實際施工中的工作量和施工難度，這樣影響了設計效果。所以，船體結構設計人員在設計工作之初就要對其加以充分考慮，設計出可以滿足規格要求的通焊孔，使設計方案更為人性化、科學化從而更利于船舶建造。

4、過梁孔補板

此部分也是在船體結構設計工作中容易被忽略的細節，對于不同類型船舶船體的設計和建造有著不同的要求，所建造的船舶應該充分滿足客戶所提出的各項需求。而船舶結構設計人員在工作實踐中則通常會按照慣例利用常用的規則和標準對過梁孔補板進行設計，導致無法符合設計要求的問題出現。除此之外，因為機艙區屬于各種管路比較集中的區域，非常容易出現跟船體結構之間的沖突，在船舶綜合管道的布置中，會因為沒有合理預留管道位置，而進行主題結構打孔，這樣既增加了工作量，又降低了船舶的安全性，如果在設計中考慮將過梁孔預留成管道的位置，這樣可以集中布置管道。從而在很大程度上解決布置上的沖突，提升空間利用效率。

5、臨時通道口

在機艙舷側增設能夠進入到機艙的臨時通道孔，這是目前國際上建造一流船舶所利用的一種工藝處理措施。在傳統船體結構設計中，通常不會設置通道孔方便人員臨時出入。在臨時通道孔的設置，能夠改善上層建筑人員衛生情況，同時還能在一定程度上確保建造的安全性。

6、艙口圍板縱向肘端

在傳統船體結構建造工作中，對艙口圍板縱向底端的設置不會考慮跟開艙機軸承間所形成的結構沖突，設計效果平直化，在船舶實際工作中，經常會由于設計的不合理而導致甲板與肘板端裂紋的出現，為了避免這種情況，需要在設計中將平直段設置成凹槽的形式，增設縱向緩沖，以防有結構沖突出現。船體結構施工人員在建造過程中需要結合結構設建設準對設計內容進行不斷完善，使建造效果能夠符合應用需求，改善結構建造效果。

7、散貨防堆積板

通常情況下，在散貨船船艙口圍板的角隅位置，為防止散貨堆積，需要對防堆積板進行設置。不過，在實際建造過程中經常會忽略角隅位置的應力條件。所以，在建造過程中需要使防堆積板跟主甲板之間保持10～15mm的距離，從而防止角隅位置受到集中應力的影響，確保應用安全性。

結語

綜上所述，由于船舶運行環境極為復雜，再加上其運行時受力較大，這些因素使得做好船舶設計非常有技術難度。在實際的設計中，需結合以往船舶設計經驗和運行中遇到的問題，從安全、實用和經濟三個角度進行設計優化，提高船體的結構強度，降低船體的自身重量，這樣才能保證船體質量，提高船舶航行的安全性，促進我國海航業的發展。

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（作者單位：南通諾德瑞海洋工程研究院有限公司）