船體結構設計和重量控制的重要性

張傳論 曾憲博

摘 要：在造船市場不景氣的前提下，如何降本增效，有效的控制船舶設計和建造重量，目前仍是一個值得研究的課題。設計過程中重量控制不到位，不但影響船舶總體性能、增加建造成本，嚴重的還會影響船舶使用安全和交船。所以探討和分析結構設計優化和重量控制具有一定的實際意義。

關鍵詞：成本控制；重量控制；設計優化

1、引言

目前造船市場不景氣，尤其是海工市場，訂單少部分訂單生效后還存在船東棄單或者推遲交付等風險，即便有的項目能交付，在設計和建造過程中也存在比以往更多，更苛刻的審核意見，這就給建造計劃的正常履行，成本和重量的控制增加了很大的難度。同時也對船舶的總體性能造成不利的影響，比如重量增加、穩性降低等。下面我們重點說下船舶結構設計和重量控制在設計和建造過程中的重要作用。

2、結構優化和重量控制

2.1重量控制的目的

重量控制是控制船舶在設計建造過程中的輕船重量和重心位置，使其在保證安全的前提下，滿足船舶總體性能，盡可能的降低成本。

2.2空船重量內容

空船重量包含1）船體結構2）設備和舾裝件3）船用備件4）管道。

2.3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。

2.4結構優化

結構優化設計主要分為1）構件尺寸優化2）形狀優化3）拓撲優化。其中尺寸優化是結構優化中的最低層次，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，如修改筋端部連接樣式、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。

3、實例分析

以我參與的一個鋪管起重船項目為例，主要分析下結構詳細設計階段對重量控制的重要性。項目簡稱為E項目。

3.1 E項目簡要概況

3.1.1項目主要參數

船長215.88m，型寬49m，型深22.4m，設計吃水11.8m

3.1.2 項目主要功能

E項目是我參與的一艏具有鋪管起重能力的海工船項目，具備主起重機5000噸40米全回轉、S-LAY+J-LAY鋪管，DP3定位能力。

3.2 E項目重量控制

3.2.1 E項目重量控制介紹

此項目船用設備、鋪管設備較多、系統較一般的商船復雜，這從一定程度上對設計管理和項目管理增加很大難度。這個項目從初期的基本設計到詳細設計，重量控制經歷了重量不斷增加，重心高度不斷增加到重量和重心通過結構優化減少到可控范圍的過程。

3.2.2 E項目重量控制方法介紹

E項目重量控制在項目執行過程中主要采用以下方式（1）設計標準的重量控制表格模板，用來管理重量變化和重心位置變化。（2）將船舶按不同的專業劃分，分別統計重量和重心（3）指定專門的工程師管理統計各專業的重量和重心數據（4）對比初始設計，對重量和重心變化較大的部分進行標記（5）任何新增加、刪除、修改的數據都要更新在控制表中（6）管子、電纜、舾裝、通風部分重量和重心在生產設計階段統計完成（7）每月生成一份重量控制報告，報告中要重點分析重量和重心變化超過2%的部分的原因。

3.2.3 E項目重量控制超標原因分析

E項目在造船和海工不景氣的大環境下，船東對設計指標和圖紙的審核意見多，有的設計方案經過多達5次的修改，直到詳細設計結束重量控制報告共有4個更新版本，詳細數據見表1

從上表可以明顯看出，詳細設計進行到一定程度后，B版本的重量及重心較初始設計明顯增加，重量增加約4000噸，重心Z方向增加1.25米。此時的重量超標已經嚴重影響甲板鋪管區的載貨量。經分析重量增加主要原因是OFE（Owner Furnished Equipment）設備重量的增加和船東額外要求造成的結構重量的增加。

3.3 E設計優化

設備一旦定型，重量將無法優化，為滿足船舶整體性能指標，我們只能通過船體結構的優化對基本設計和詳細設計做出新的評估和改進。通過對結構圖紙的初步分析，按照規范對船體結構板材、型材等結構進行計算，經FEA驗證，部分構件尺寸和布置做以下優化

（1）上建區域甲板和內艙壁板厚從8.0mm減小到6.0mm。

（2）上建內艙壁加強型材采用HP 100X6代替原有的HP 140X7，總體上可以減少約1850噸。

（3）干舷甲板下的主肋位板厚從14.0mm減小至10.0mm，經FEA校核優化后滿足規范要求，可節約90噸。

（4）局部采用高強度鋼替代普通鋼。為避免疲勞不滿足技術要求，將采用局部高強度鋼替換原普通鋼， 經分析重量可減少約277噸，其中艉部約37噸，舯部約97噸，艏部約35噸，外板約108噸。

（5）上建區域橫梁和縱梁優化

上建區域通過采用增加柱子和減少橫梁、縱梁構件尺寸等優化方式，在滿足船級社規范和FEA校核的前提下可減少重量約690噸，詳細見表2

（6）鋪管區甲板厚度從14mm優化為12mm，剖面模數和甲板變形量以及強度變化看僅在4.5%，而且滿足規范和技術規格書要求，重量可減少約77噸。

（7）優化重量匯總

結構設計通過板厚減小、材質升級、布置優化等方案，累計可減少約2980噸，從一定程度上降低了重量增加對船舶性能的影響。

4 結論

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、船東意見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做出一艏既滿足客戶需求，符合船級社規范、法規又經濟的船舶，仍是我們值得去不斷研究和探討的課題。

隨著計算機水平的不斷發展和在船舶設計建造領域的應用，船舶結構選材、布置的優化以及重量的有效控制會有一個大的進步，我們作為設計工程師，我們應該清醒的認識到計算機輔助只是一種工具，更重要的是要不斷提高我們設計人員的成本意識、優化觀念和理論程度，同時再配合有效的項目管理和質量管理，才能使船舶建造提高到一個新的水平。

參考文獻：

[1]梁志華，船舶腫剖面的可靠性優化設計[J].交通部上海船舶運輸科學研究所學報，1991（1）：38-45.

[2]俞銘華，徐昌文.船舶腫剖面結構優化設計研究進展[J].華東船舶工業學院，1998（3）：36-41.

[3]俞銘華，嵇春燕等.大型油船結構優化設計研究進展[J].江蘇科技大學學報（自然科學版），2006（2）：1-6.

[4]船舶設計實用手冊（第三版），結構分冊.

作者簡介：

張傳論（1982-11）、男，山東省東阿縣、上海振華重工（集團）股份有限公司-船體工程師、工學學士、船體結構及總體性能方向。

曾憲博（1983-2）、男、湖北省潛江市、上海振華重工（集團）股份有限公司-船體工程師、工學學士、理學學士、船體結構及總體性能方向。