探討船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

鄭文濤

摘 要：在船舶設(shè)計(jì)行業(yè)中，技術(shù)工程師往往需要通過多樣性的設(shè)計(jì)探究，開展復(fù)雜的船體結(jié)構(gòu)優(yōu)化，才能夠完成船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)創(chuàng)新工作。從船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工藝優(yōu)化的角度來看，使用分層設(shè)計(jì)的方法，有利于提高船舶設(shè)計(jì)的針對(duì)性。對(duì)于首樓甲板、尾樓甲板的裝甲厚度進(jìn)行加實(shí)，防止水域風(fēng)浪加大時(shí)，出現(xiàn)的甲板破裂現(xiàn)象，從而有效防止水漬漫灌問題的出現(xiàn)。設(shè)計(jì)者要根據(jù)描述結(jié)構(gòu)的外形和尺寸作為主要的處理對(duì)象，設(shè)計(jì)師們僅僅依靠描述結(jié)構(gòu)的外形和尺寸來完成，不包含設(shè)計(jì)思想和數(shù)據(jù)信息規(guī)范等，所以在前期不利于對(duì)設(shè)計(jì)模型的修改的檢查。

關(guān)鍵詞：船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ；問題 ；設(shè)計(jì)師 ；模塊

前言

在基于安全的情況下，如何快速設(shè)計(jì)出優(yōu)秀的船體結(jié)構(gòu)并且實(shí)現(xiàn)快速修改，是船舶設(shè)計(jì)師夢(mèng)寐以求的目標(biāo)，針對(duì)這個(gè)目標(biāo)的制定，設(shè)計(jì)師們提出了船體結(jié)構(gòu)的快速設(shè)計(jì)方案，將知識(shí)工程原理和參數(shù)化技術(shù)相結(jié)合，對(duì)船體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)做出了研究和分析。

1 船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的主要內(nèi)容

解決船體結(jié)構(gòu)的形式、構(gòu)構(gòu)件的尺度和連接的設(shè)計(jì)問題，使得船體結(jié)構(gòu)具有良好的經(jīng)濟(jì)性能和十分有益的強(qiáng)度。船體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)質(zhì)量的好壞主要從船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的安全性和整體性以及經(jīng)濟(jì)性等方面來分析。

1.1 船體結(jié)構(gòu)的整體性

船體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是一個(gè)十分復(fù)雜的水上工程項(xiàng)目，各種設(shè)備和儀器以及結(jié)構(gòu)的布置都和船體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)緊密相關(guān)，所以船體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)必須滿足船體自身的性能、設(shè)備、電氣和通風(fēng)等功能的要求，確保船只的工作性能在各方面都能協(xié)調(diào)配合、具備良好的工作性能。

1.2 船體結(jié)構(gòu)的安全性

安全問題在任何領(lǐng)域都是最重要的問題，船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)該保證船體結(jié)構(gòu)不會(huì)受到各種外力的作用下，具備一定的強(qiáng)度和穩(wěn)定，不會(huì)因?yàn)闃?gòu)件強(qiáng)度不足出現(xiàn)失去平衡從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)損壞的情況發(fā)生，同時(shí)船體結(jié)構(gòu)還必須具有十分良好的防震性能，使其在各種激蕩力的作用下，都不會(huì)產(chǎn)生較大的振動(dòng)。

1.3 船體結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性

船體結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)的過程中在考慮結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和構(gòu)件的腐蝕和使用以及維修之后，還要力求減少結(jié)構(gòu)的重量和成本的投入，船體結(jié)構(gòu)材料在保障安全性的前提下要適當(dāng)?shù)倪x擇，使得船體結(jié)構(gòu)本身就具有良好的經(jīng)濟(jì)性能。

2 采用先進(jìn)設(shè)計(jì)工藝對(duì)船體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分層優(yōu)化

船體結(jié)構(gòu)生產(chǎn)人員，還需要對(duì)輪船的主尺度、靜水力性能、船舶參數(shù)和螺旋槳敞水性能進(jìn)行控制優(yōu)化，嚴(yán)格生產(chǎn)環(huán)節(jié)中的船只性能測(cè)試，發(fā)現(xiàn)不良問題應(yīng)該及時(shí)采取生產(chǎn)維修措施。根據(jù)船底板、內(nèi)底板、三層甲板、二層甲板到主甲板區(qū)域的設(shè)計(jì)順序，對(duì)船體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。對(duì)于船體板的設(shè)計(jì)方式，技術(shù)人員可以采用分割設(shè)計(jì)的方法，確保船體的底部防撞性能提高。

使用雙層船體結(jié)構(gòu)，不僅可以顯著提高船體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，還能夠使用雙層底部?jī)?chǔ)存更多的油料。船體設(shè)計(jì)一般都是由多根較差構(gòu)件和很多主向梁組成的板架，對(duì)于橫骨架式的板架結(jié)構(gòu)，使用主向梁（實(shí)肋板）作為肋板間距范圍內(nèi)的承重材料。保證船體架構(gòu)的較差構(gòu)架只需要承受節(jié)點(diǎn)反力。對(duì)于縱骨架式板架設(shè)計(jì)來說，可以通過提高底部結(jié)構(gòu)的載荷效果的方法，利用縱骨傳給實(shí)肋板，保證交叉構(gòu)建也只需要承受節(jié)點(diǎn)反力。對(duì)于艙長(zhǎng)很短的船底板架設(shè)計(jì)（例如艙長(zhǎng)與板架計(jì)算寬度之間的比值小于 0.8 時(shí)），為了更好地確定這種板架中板材的彎曲應(yīng)力，可以將中板材當(dāng)做單跨梁進(jìn)行單獨(dú)處理。

3 船體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 船體尺寸的優(yōu)化設(shè)計(jì)

尺寸優(yōu)化是用來修改船體內(nèi)部各單元之間的基本屬性，例如厚度和橫截面以及剛度等。某些結(jié)構(gòu)單元的個(gè)屬性之間可能彼此相關(guān)聯(lián)，例如慣性距、梁的更界面和截面幾何等。因此在優(yōu)化過程中各單元的屬性并不一定作為設(shè)計(jì)變量來進(jìn)行計(jì)算。對(duì)船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析的問題大多數(shù)都將問題歸納與對(duì)船體尺寸的設(shè)計(jì)中，船體結(jié)構(gòu)游蛇設(shè)計(jì)中尺寸是十分重要的組成部分。例如利用商業(yè)軟件來對(duì)小水線面的雙體船結(jié)構(gòu)進(jìn)行尺寸優(yōu)化，或者在船體坐墩墩上布局進(jìn)行尺寸優(yōu)化，利用分級(jí)優(yōu)化的分式來進(jìn)行計(jì)算。

3.2 船體形狀的優(yōu)化設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)形狀的優(yōu)化設(shè)計(jì)是通過選擇描述邊界形狀的若干參數(shù)來作為設(shè)計(jì)變量，通過特殊的方式來改變這些參數(shù)值使其能夠確定其本身的形態(tài)結(jié)構(gòu)來完成的。在船體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，部分部件的邊界位置容易因?yàn)槌惺茌d荷而產(chǎn)生應(yīng)力集中造成疲勞或者斷裂破壞的，造成船體結(jié)構(gòu)的損傷，所以在船體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)要通過尋求良好的邊界形狀來改變應(yīng)力的分布。

4 船體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法

船舶自身的造價(jià)高昂、使用期限長(zhǎng)、工作環(huán)境十分惡劣。在其使用期間會(huì)遇到多種事故，這些事故本身就會(huì)對(duì)船舶的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生各種惡劣的影響，甚至?xí)?dǎo)致整個(gè)船體結(jié)構(gòu)失去工作能力，造成很大的經(jīng)濟(jì)損失，降低社會(huì)效益，目前船體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法主要分為確定性設(shè)計(jì)法和結(jié)構(gòu)可靠性分析法。

4.1 確定性設(shè)計(jì)法

船體結(jié)構(gòu)的確定性設(shè)計(jì)法又可以分為兩類，第一類是規(guī)范設(shè)計(jì)法，即根據(jù)船體主尺度和結(jié)構(gòu)形式，以及各種營(yíng)運(yùn)和施工要求，按照船級(jí)社制定的船體建造規(guī)范的相關(guān)規(guī)定來決定構(gòu)件的布置和尺度的，最后再進(jìn)行總強(qiáng)度和局部強(qiáng)度的審查，同時(shí)還要對(duì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性進(jìn)行檢查，一旦發(fā)生任何不足植株，則在原設(shè)計(jì)方案上進(jìn)行修改之后在進(jìn)行局部的加強(qiáng)，指導(dǎo)達(dá)到相應(yīng)的目標(biāo)。第二類是直接計(jì)算法，直接計(jì)算法是根據(jù)船型和構(gòu)件布置的不同，來通過規(guī)范不可能羅列的全部特征來進(jìn)行設(shè)計(jì)的，所以要求設(shè)計(jì)師具有結(jié)構(gòu)力學(xué)的知識(shí)，可以按照各種構(gòu)件和受力情況，直接進(jìn)行強(qiáng)度的計(jì)算。使得船體結(jié)構(gòu)本身就具備良好的力學(xué)合理性，而且可以預(yù)先選擇目標(biāo)函數(shù)，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

4.2 結(jié)構(gòu)可靠性分析法

在船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的確定性設(shè)計(jì)方式中，將有關(guān)參數(shù)都設(shè)置為定值。所采用的安全系數(shù)都表現(xiàn)為強(qiáng)度的儲(chǔ)備，使得人們對(duì)結(jié)構(gòu)已經(jīng)產(chǎn)生了固定的印象，認(rèn)為結(jié)構(gòu)是絕對(duì)安全不會(huì)被破壞的，然后，所有船體結(jié)構(gòu)不論哪種船型或者結(jié)構(gòu)形式，都是通過空間的板梁組合結(jié)構(gòu)來完成的，這樣的話，當(dāng)船體結(jié)構(gòu)中的一個(gè)構(gòu)件失去效果之后，內(nèi)力重新分配。整個(gè)結(jié)構(gòu)還能繼續(xù)工作，只有當(dāng)相當(dāng)數(shù)量的構(gòu)建都失效之后，整個(gè)構(gòu)建才會(huì)失去效果。這就促使人們?nèi)パ芯看w中某些構(gòu)件結(jié)構(gòu)被破壞的原因，和損壞后對(duì)船體的影響，這樣才能形成某種采用概率法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行可靠性的分析和計(jì)算。結(jié)構(gòu)可靠性是指結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)和條件下完成預(yù)定功能的概率，即達(dá)到結(jié)構(gòu)的功能極限狀態(tài)就可以認(rèn)定為結(jié)構(gòu)實(shí)效，目前我國(guó)所采用的是基于概率論的結(jié)構(gòu)可靠性全概率的分析法，還存在很大的局限性。近年來。結(jié)構(gòu)系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估和決策建議在海洋工程領(lǐng)域以及船舶的應(yīng)用中正逐步推廣，世界上主要的船級(jí)都已經(jīng)制定了合理規(guī)范的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法和文件。

5 結(jié)束語

船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要是在滿足船舶總體性和船舶本身的功能性的前提下，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使得船舶在試用期間滿足穩(wěn)定性和剛度、強(qiáng)度的要求，船舶設(shè)計(jì)的內(nèi)容決定了其設(shè)計(jì)任務(wù)的繁重程度。目前各國(guó)的船舶業(yè)之間的競(jìng)爭(zhēng)十分激烈，世界各國(guó)船舶業(yè)的生產(chǎn)技術(shù)正朝著機(jī)械化、自動(dòng)化和集成化的方向發(fā)展。提高船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求已經(jīng)成為船舶業(yè)十分重要的問題。

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