船舶與海洋工程結構設計技術

王亮亮

【摘 要】本文主要針對船舶和海洋工程結構設計展開探討，在船舶和海洋工程的設計過程中，最關鍵的就是結構的設計工作，所以，要對其結構設計的技術進行總結，研究結構設計技術的要點和方法，才能夠進一步提高其設計的水平。

【關鍵詞】船舶；海洋工程；結構；設計技術

前言

船舶與海洋工程結構設計技術有很多，要針對船舶和海洋工程的具體的設計要求和方案來進行確定，優選最合適的設計技術，只有這樣才能夠提高船舶和海洋工程結構設計的準確性，提高設計的質量。

1 海洋工程設備分類

隨著世界經濟持續高速增長，油氣資源供應不足將成為阻礙經濟發展的主要矛盾。為提高對油氣資源的占有量，海洋油氣的開發已經成為世界實現能源可持續發展的戰略重點。海洋石油鉆井裝備產業是以資本密集和技術密集為主要特征、為海洋油氣資源開發提供生產工具的企業集合，是海洋油氣產業與裝備制造業的有機結合體。

目前用于海洋油氣鉆采的海洋工程裝備主要有兩大類：一類為海上浮動鉆井平臺，另一類為海上浮式生產設施。海洋鉆井平臺主要包括兩類：移動式平臺和固定式平臺；浮式生產設施主要包括：單圓柱生產平臺（SPAR）和浮式生產儲油船（FPSO），此外還有平臺供應船及鋪管船等。

2 船舶與海洋工程結構極限強度計算方法

對船舶與海洋工程結構極限強度的計算與分析在整個結構理性設計中是要求最高也最為復雜的環節，盡管通過對船體模型的有限元分析計算方法能對船體模型的構件屈曲以及塑形變形等得到較為精確的測量結果，進而精確計算出船體模型的極限強度，但是這種方法在計算過程中工作量龐大，而且計算成本很高，不利于在實際應用中推廣。而用于計算船舶與海洋工程結構極限強度的逐步破壞法則在大量簡化計算工作量的同時也保證了極限強度的計算精度。

逐步破壞法作為傳播與海洋工程結構極限強度的主流計算方法，很大程度上是緣于對以下兩方面的計算工作量的簡化。（1）將用于結構極限強度計算與分析的船體模塊簡化為橫向崩潰和縱向崩潰這兩種獨立的總崩潰模式。（2）通過限制相關的尺寸保證相鄰兩個橫向剛架發生縱向崩潰。

逐步破壞法使得船舶與海洋工程的船體模型橫向剛架的臨界分段在中垂或者中拱過程中崩潰，這就使得機構極限強度計算簡化為船體某一分段的極限縱強度的計算，在保證計算結果精確度的同時大大減少了計算工作量。

結構極限狀態的一個明顯特征就是結構產生崩潰，即結構喪失其承載能力與總體剛度。結構極限狀態是一個極其復雜的非線性變化過程。一些殼體結構的極限強度可以直接通過特征值等來估算和計算。而在船舶與海洋工程中，結構構件可能會在不斷增加的彎矩作用下發生屈曲、屈服，直至破壞。但是其他構件和已經破壞的構件可以進一步承載外界剪力荷載，這種破壞過程不會使結構的彈性剛度馬上變為零，隨著外界破壞不斷增加，結構構件的剛性強度不斷減小，最終結構構件發生崩潰。在這個過程中，只有根據逐步破壞法或者增量法，結合構件破壞情況，通過更新結構模型、采用荷載增量等才能對結構極限強度進行精確的分析計算。

3 船舶與海洋工程總體設計技術

最初的船舶總體設計手段從簡單繁雜的手工計算開始。隨著計算工具的更新，設計者開始標準化計算表格，簡化設計過程。隨著計算機技術的飛速發展，各種分析理論的不斷完善，計算機輔助設計技術得到廣泛應用。上世紀90代初，國內一些大的研發機構在總體設計方面主要應用一些圖形化的工作站進行型線圖、總布置圖的輔助繪制，并用船級社開發的一些軟件如Pilot、SeaSafe、GHS等進行總體性能輔助分析計算；90代中后期，進而采用AutoCAD、KCSInitialDesign、NAPA等商業化軟件。

多種CAD軟件產品，如NAPA、FORAN、MAXSURF、Tribon、FastShip等在船舶行業的廣泛應用，使船舶與海洋工程的設計發生了深刻變革。

NAPA（TheNavalArchitecturalPackage）是一款芬蘭的專業船舶計算機輔助設計軟件，功能強大，是現代船舶設計的一個經典軟件，為全球權威海事管理機構和船級社認可和采用。它分為應用系統、輔助系統和服務系統三個子系統。應用系統分為船舶建模、靜水力計算、幾何圖形、艙容、裝載、穩性衡準、破艙穩性、船舶下水、船舶傾斜、重量計算、船舶滿載穩性、集裝箱布置、船舶水動力、耐波性、船舶快速性、信息系統和NAPA鋼結構。船舶建模是NAPA的核心。輔助系統包括監控、數據庫管理、動態內存管理、綜合輸入輸出、作圖、錯誤處理和其他功能。一般的服務系統包括文本編輯、文件管理系統、計算、表格計算、圖表繪制等。

NAPA軟件具有以下特點：靈活多樣的輸入輸出格式；直觀友好的三維圖形用戶界面；對電腦軟、硬件環境的廣泛適用性；開放式的平臺系統，具有強大的二次開發手段，并提供眾多與其他軟件的接口等，特別適用于船舶設計早期階段，處理眾多變量的相互關系，進行多方案對比、優化及不可避免的諸多設計更改。其功能涵蓋了設計的全過程，直至生成完工文件。

此外西班牙的FORAN、澳大利亞的MAXSURF、瑞典的TRIBON等CAD軟件在建模、計算分析、方案修改、輸出等模塊功能方面都各有特色，這些CAD軟件豐富了總體設計手段，使設計師能夠依據不同的設計任務選擇相對適宜的軟件工具，以達到最佳的效果。

在船舶CFD領域，也已出現越來越多的性能分析軟件，如Shipflow、Fluent等已得到廣泛應用，這些軟件的預報精度達到了很高的水平。因此在新船型開發階段和初步設計階段，設計師可應用各類精準的分析工具進行船舶性能的預報、優化工作以獲得預期的效果。

但總的來看，在設計開發過程中充分利用CFD技術進行輔助分析、優化的手段和能力還不夠，設計過程中經驗依然占主導地位。CFD主要用來檢驗CAD的結果，而不是用來驅動產品設計，兩者基本上處于“孤島”狀態，沒有實現有機的集成。因此，利用集成優化平臺，實現船舶CAD與CFD一體化設計，最終達到船型“設計-分析-再設計”任務的自動化，具有重要的現實意義。基于CAD/CFD的船型一體化的設計思想由此產生。意大利、日本、德國等國家的船型水動力優化研究業已按照設計分析集成化、一體化的主線發展，實現了CAD/CFD的集成優化設計，達到了以性能驅動設計的目標。其研究的內容也不僅僅局限在單個性能，而是多個性能、多學科的綜合優化。

就船舶與海洋工程總體設計而言，先進的設計方法和功能全面而強大的設計手段兩者的有機結合，使設計師能有足夠的信心，高效地給出最優化的設計方案，而設計任務目標要求無疑是判斷設計方案優劣的決定性因素。

4 結束語

綜上所述，船舶與海洋工程結構設計技術的種類也有很多，而且隨著我們科技的進步，技術也會越來越多，那么在這樣的情況下，我們應當科學合理地選取最先進最有效的技術，本文總結了結構設計的一些有效技術，希望能夠為今后的設計工作提供參考。

參考文獻：

[1]魏東，張圣坤.逐步破壞法計算船體梁極限強度及應用[C].首屆船舶與海洋工程結構力學學術討論會論文集.江西九江，1999：175-181.

[2]何福志，萬正權.船體結構總縱極限強度的簡化逐步破壞分析[J].船舶力學，2001，5（5）：21-35.

（作者單位：啟東中遠海運海洋工程有限公司）