船體結構設計的理念及其對船舶建造的影響

肖大銀

（舟山中遠海運重工有限公司浙江省，浙江舟山 316131）

0 引言

船舶具有造價高、使用期長、環(huán)境載荷惡劣等特點。在其使用期內(nèi)可能遭遇到多種事故，這些隨機的事故一旦發(fā)生，將對結構產(chǎn)生不利影響，導致整個船體結構失去工作能力，造成很大的經(jīng)濟損失。近年來，我國船舶制造業(yè)得到了突飛猛進的發(fā)展，激烈的市場競爭不僅為船舶設計行業(yè)帶來新機遇，也帶來了前所未有的挑戰(zhàn)。為保證船體結構設計的安全性能、使用性能、經(jīng)濟性能等滿足市場需求，船體結構設計質(zhì)量需要滿足更高的標準?；诖耍晟拼w結構設計理念，提高結構設計的生產(chǎn)工藝性勢在必行。本文對船體結構設計的理念及其對船舶建造的影響進行介紹，并對設計中細節(jié)處理措施和提高生產(chǎn)工藝性的方法進行分析，以期為船體結構設計提供一定參考。

1 船體結構設計的理念及對船舶建造的影響

在船舶建造中，船體結構設計的優(yōu)劣能直接影響船舶建造的周期及成本。因此，船舶結構設計人員需要根據(jù)客戶的要求，在滿足船舶建造規(guī)范的前提下，綜合考慮船舶的安全性、使用性、整體性、工藝性、美觀性及經(jīng)濟性，這也是船體結構設計的基本理念。

安全性是整個船舶建造的基本質(zhì)量指標，保障船舶的安全性是船體結構設計的基本前提。結構設計應保證船舶在各種外力作用下具有一定的強度，以及必要的穩(wěn)定性與剛度，不致因構件強度不足或失穩(wěn)而引起結構的損壞，也不能使變形超過允許范圍。此外，還應使船舶結構具有良好的防振性能，使其在各種激振力作用下，不會產(chǎn)生過度振動。

使用性即船舶是否能較好地完成預定的使用任務的性能，提高使用性是設計中處理一切問題的中心。結構的布置與構件尺度的選用應符合營運的要求，設計人員對與此有關的各種因素，必須有明確的概念，并采取合理的技術措施。

整體性要求結構設計必須與船舶性能、輪機、設備、電氣及通風等設計密切配合，相互協(xié)調(diào)，分清主次，確保船舶在各個方面都具有良好的工作性能。

工藝性要求結構形式與連接形式的選擇應便于施工，以提高勞動生產(chǎn)率。在選用結構材料品種時，應適當減少規(guī)格，以便于船廠采購和備料。此外，應根據(jù)船廠的設備情況、生產(chǎn)組織管理等特點，合理制訂船體建造的原則方案，采用先進的工藝措施，降低船舶的建造成本。

美觀性包含船舶造型與內(nèi)部裝潢等2個方面，船舶外觀造型的好壞會給人以深刻的觀感和印象，內(nèi)部空間的合理布局會提高船舶的適用性，要從船舶美學觀點，求新求美，給人們藝術享受。

經(jīng)濟性指船舶完成規(guī)定任務時，資金的耗費和積累情況。在考慮結構強度、構件的腐蝕余量和使用、維修情況后，盡量減少結構的重量以使船舶具有更好的經(jīng)濟性能[1]。

按照規(guī)劃過程，可將船體結構的設計步驟分為初步設計、詳細設計及生產(chǎn)設計等3個階段。初步設計是從收到船東的設計任務書或詢價開始，進行船舶總體性能和主要技術指標、裝置、各系統(tǒng)的原理設計，這是一個設計計算和技術洽談的工作過程。詳細設計根據(jù)造船合同確認的技術文件以及修改意見書進行各個具體技術專業(yè)項目的設計計算和關鍵圖的繪制。生產(chǎn)設計是從施工的立場出發(fā)，用于解決怎樣造船與怎么合理組織造船生產(chǎn)的一種設計。船體結構設計的各階段都需要與船東和船廠進行溝通協(xié)調(diào)，設計的進程直接影響船舶建造的周期。

2 船體結構設計中的細節(jié)處理

船體結構設計是船舶運行安全的關鍵，其設計過程中的細節(jié)處理不僅關系著船舶建造中的安全質(zhì)量，而且與船廠建造成本及周期有直接影響。

2.1 止流孔的設置

船舶結構設計中涉及到眾多類型的止流孔，在滿足設計規(guī)范的前提下，合理地布置止流孔是船體生產(chǎn)設計的一個重要關注點。常規(guī)止流孔的設置可分3種類型：

1）貫通的零件在水密結構相鄰處（已開角隅或切口時），可兼有止流孔作用。

2）全焊透部分無需止流孔。

3）組合型材上下都要開設止流孔。

常規(guī)止流孔開設節(jié)點情況見圖1，圖中10RV(K)是指需要封堵半徑R10的開孔，封堵前要打V型坡口或者K型坡口。

圖1 常規(guī)止流孔節(jié)點圖（單位：mm）

2.2 肘板端部與型材連接的設計處理

船體結構設計過程中會遇到大量的肘板端部與型材連接的設計處理工作，若處理不好，往往會導致船舶在運營中出現(xiàn)裂縫，造成船舶回廠返修。處理肘板端部與型材連接的節(jié)點不僅要考慮船體的結構強度，還要充分考慮船舶的建造難度，常規(guī)肘板端部與型材連接的典型節(jié)點有5種，見圖2。圖中，D為型材高度；A為球扁鋼球頭高度；θ為肘板削斜角度；BKT為肘板縮寫。

圖2 常規(guī)肘板端部與型材連接的典型節(jié)點（單位：mm）

2.3 特殊角隅布置情況

合理的角隅設置可以減輕操作難度以及工作量，讓設計更加的人性化，更符合生產(chǎn)工藝性。特殊角隅可分3種類型：

1）對于不能進行包角焊的區(qū)域，開設10 mm×10 mm的切角（10C），見圖3。

2）對于應力集中區(qū)域，不能開角隅，見圖4。

3）對于與焊縫相鄰的區(qū)域，開設長軸40 mm，短軸20 mm的半橢圓孔，并進行封堵，封堵前打V型坡口，見圖5。圖3～圖5中，M為不在肘板或支柱范圍內(nèi)的開孔邊緣到肘板端部或支柱中心的直線距離； N為在肘板范圍內(nèi)的開孔邊緣到肘板端部的直線距離；a為角焊縫到對接焊縫的直線距離；d為型材高度；R為角隅孔半徑。

圖3 不能進行包角焊的區(qū)域角隅節(jié)點開設情況

圖4 應力集中區(qū)域不開角隅節(jié)點（單位：mm）

續(xù)圖4 應力集中區(qū)域不開角隅節(jié)點（單位：mm）

圖5 焊縫相鄰區(qū)域角隅節(jié)點開設情況

2.4 船體分段接口設計

對于船體結構設計而言，船體分段接口設計非常重要。

1）接口設計需要便于船體分段裝配工作的順利實施。

傳統(tǒng)的分段設計是將艙體劃分為獨立的段落，P型的分段會讓船體出現(xiàn)中心不均勻的情況，導致在后期的裝配中需要大量的輔助支撐才可以規(guī)避這一缺點。在改進分段接口時，將面板加設到船體斷開節(jié)點處，這樣就形成了R型分段，從而簡化分段裝配。不僅提高了焊接效率，還能提升船體建造的安全性[2]。

2）工序前移，減少后行作業(yè)（船臺、船塢作業(yè)）的工作量。

為便于分段裝配，在作業(yè)時機艙雙層底分段的外板應高出雙層底100 mm～200 mm。機艙前壁舾裝件較多，可考慮把舾裝件較密集的壁板劃分到雙層底分段上，加大分段預裝率。對于艏部錨臺部分的分段，可考慮把涉及錨臺的外板及結構劃分到一個分段上，在分段制作階段安裝錨臺，減少后行施工難度和工作量。

2.5 斷梁的細節(jié)處理

斷梁的處理是船舶建造過程中極為重要的一環(huán)，需要給予足夠重視。在過去船舶建造工程中，由于梁體的處理及安裝沒有到位，導致斷梁現(xiàn)象時常發(fā)生。在斷梁問題處理中，設計師首先需要考慮分段定位，將斷梁部位處理點接上。在進行斷梁修補時，不僅要使梁的強度符合規(guī)定標準，還要保證在后續(xù)運行的過程中不會影響船體的結構強度。在不改變船體結構理論線的同時，還要充分考慮現(xiàn)場施工的難度及成本，避免造成額外的施工工作量[3]。斷梁的典型節(jié)點及施工焊接順序見圖 6，斷梁的最小長度Lmin=300 mm，焊接順序為1→2→3→4。

圖8 斷梁典型節(jié)點及焊接順序圖（單位：mm）

3 生產(chǎn)工藝性提高方法

1）根據(jù)船廠建造能力優(yōu)化結構

從工廠施工角度出發(fā)，考慮通過結構設計實現(xiàn)高質(zhì)量、高效率、高安全性造船，將船廠的生產(chǎn)設備、場地及工藝流程的最大功能與特點發(fā)揮出來，是提高結構設計生產(chǎn)工藝性的核心思想。船體的初步設計一般只能確定船體的基本結構，在之后的詳細設計中需要對船體結構進行細化，以便更好地發(fā)揮結構的實際效用。結合船廠提供的建造方針、建造工藝流程、分段劃分圖等對結構進一步優(yōu)化調(diào)整。船舶本身是一種極為繁雜的工程建造物，影響因素眾多，加上主、客觀條件的限制，結構設計難免會出現(xiàn)各種問題，如：有些結構難以通過具體的計算得出加工參數(shù)，需要在船體裝配的環(huán)節(jié)中，通過物理壓制、火工等方式進行調(diào)整與矯正，這就需要考慮船廠的加工能力。船體結構設計是一個持續(xù)優(yōu)化調(diào)整的過程，優(yōu)化后結構的合理性直接關系到船舶建造的工藝性及成本，在設計階段充分考慮生產(chǎn)工藝性，可有效減少建造過程中的額外工作量，節(jié)約建造成本。

2）及時提供船廠所需的材料和設備訂貨清單

船舶建造的整體周期雖然較長，但是實際建造時間并不充裕。在簽訂合同之時，就已經(jīng)明確了船舶交付日期，造船廠也確立了開工時間，保證建造船舶所需的材料、設備的采購周期滿足船舶建造過程中的各個節(jié)點尤其重要。船體結構設計時會產(chǎn)生大量的優(yōu)化調(diào)整，及時提供船廠所需的材料、設備訂貨清單可有效規(guī)避因設計變更引起的供貨不及時、供貨錯誤，減少庫存，降低生產(chǎn)成本。

3）加強專業(yè)間協(xié)同

船體結構作為輪機、電氣、舾裝等其他專業(yè)的載體，為這些專業(yè)提供工作舞臺，成為各項設計的基礎。因此，在進行船體結構設計時，應全盤考慮其他專業(yè)對船體結構的要求，注意各專業(yè)之間的協(xié)同，并對舾裝所要求的結構上的預開孔與加強的內(nèi)容納入船體結構設計的范圍。船體的變動可能引起其他專業(yè)的相應變動，而各專業(yè)的變動都可能會影響船體結構。協(xié)調(diào)不及時或不徹底，將會造成設計錯誤，進而導致現(xiàn)場返工，嚴重時甚至會影響船舶建造周期，給船廠帶來重大經(jīng)濟損失[4]。

4）進行特殊設計時及時與船廠溝通

在進行特殊設計時，應提前通知船廠進行相應的準備工作，如：設備改進或增加；新工藝、工裝的應用；新技術的攻關；焊接工藝評定；特殊材料的采購等。通過與船廠及時溝通，減少建造過程中因施工能力不足引起的設計變更，相應縮短建造周期，降低建造成本[5]。

4 結論

船體結構設計是影響船舶建造的重要環(huán)節(jié)，不論是初步設計、詳細設計還是生產(chǎn)設計，都需要保障船舶使用的可靠性、使用性及維護性。其中，可靠性作為船舶能夠有效的進行工作的前提，規(guī)定了船舶所應該具有的承載能力，對于船舶的變形以及質(zhì)量、動力的穩(wěn)定性具有重要。倘若設計不夠完善，則舶建造進度就會減緩，生產(chǎn)成本會相應提高，進而市場競爭力。因此，本文論述的船體結構設計的理念及對船舶建造的影響、設計中的細節(jié)處理措施、提高生產(chǎn)工藝性的方法對提高船體結構設計水平有良好指導意義。希望船體結構設計師找準自身工作的出發(fā)點，以用戶為主線，建立自己的設計理念，提升設計水平，為船舶制造行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供技術保障。