浅论基于船舶与海洋工程的船体结构设计

赵博

摘 要：船体结构设计是近年来我国自主研发的项目之一，依靠先进的建造理论和国内外的设计实例，结合日渐发展的信息技术能够通过立体、综合的方式展现设计观念和结构，本文对船舶与海洋工程专业船体结构设计进行了阐述。

关键词：船舶与海洋工程；船体；结构；设计

近年来，我国船舶制造业发展迅速，且为促进水路运输业的发展提供了有力的交通工具支持，作为船舶制造的一项关键环节，船体结构设计不仅关系着船舶的整体建造质量，而且对于船舶建造业与水路运输业的双重发展也具有重要影响。

一、船体结构设计的设计理念及要求

1.船体结构设计的设计理念

对船体结构的设计理念進行分析，可以将其结构中的内容进行展开分析，首先是从船体建造的工作总量来看，船体结构就占据着总工程量的二分之一，在一般情况下，它是多工种参与的综合性工作，因此，在船体的设计中，与其他专业之间的关系也十分密切，在建造之前要做好充分准备，一方面是把船体结构中各种施工具体的条件进行确认，然后再结合工厂的实际情况而制定出合适的建造方案以及施工要点，同时绘制出船体建造图纸；另一方面是与管理人员进行协商协调，针对管理造船的具体过程加以管理，其中的内容主要分为四个不同点，即图纸设计、辅助设计、准备工作阶段、以及管理施工工作。

2.船体结构设计的设计要求

船体结构设计要以使用性能为参考，在保证安全性能的前提下，进一步美化外观。船只的安全航行是一切利益的保证，船体的稳固是设计的核心理念，结构建构要符合力学原理，参考实际的航海条件，充分考虑天气、水文因素的影响，能够应对出航线路中的极端天气，结构承重性要有保证，外形设计也要配合航行的动力要求，设计船体时要综合多方面经验，合理构建、计算，科学设计。

结构稳定的进一步要求是建造技术水平要配合设计要求。建造时要充分考虑设计参考材料的性能，例如，板材的使用要能适应船体设计的弯曲度，过厚或者过薄都不能实现设计预期。不能为节约成本而以次充好影响质量。

实用性是设计角度必须纳入参考体系的问题，船体、船舱、甲板等设计要根据实际的装载要求合理设计，既能容纳预计的人员或货物，同时也要考虑安全舒适度。

二、船体结构设计的基本内容

设计船体的基本工作包括：确定初步的结构方法、按照预算和设计要求提供使用材料的型号报告、上报船体合成技术。基本的设计理念是实用性和经济性，采用承重性好的板材，同时要考虑其重量的限制条件，可以考虑采用轻便节约的新型的合成板材。基本的设计步骤按照规划过程可分为基本的设计、细节的规划和生产技术要求，分阶段实现设计。

1.初步设计。初步的规划是根据技术标准和设计要求对设计任务进行框架性的建构，建立基本的图纸预想稿，根据预案和设计技术要求对材料、部件的型号和用度建立预算方案并形成预算报告，对船体的大小、结构方式进行设计。

2.详细设计。前期的设计是框架性的大体预想，细节的设计要依照相关的审批意见作出调整，充分考虑到建造过程细节，再次确定各构件的型号、材质，形成符合设计要求的较为系统的设计方案，绘图后连和设计方案阐释交由审批部门。

3.生产设计。这主要是对船体设计中将方案付诸实践的过程，即就是生产要求，以及在施工中所需要使用的材料和注意事项，从而使得材料能够在施工详细解释中符合设计的图纸以及施工方案。

三、船体结构设计的过程

船体结构在设计之初是分体分段的细致设计，有多重部件组合而成，一体化的设计在目前的技术水平限制下很难实现预想，并且容易出现局部的设计缺陷。分结构的设计虽然要考虑组合、连接的实际问题，但易于设计和建造，小规模的设计、生产、检验更容易实施。船体分段设计时是将结构分解为有机联系的几部分，根据实际的首、尾或者上、下的结构进行拆分，分组设计建构，同时要考虑到组合后的一体性，在设计分组拆分时要做好统筹工作，考虑到后期组装工作的各个细节。

船体的负荷性能与船体的构造、材料、重量的内部性能有关，同时还受到海上条件的负面影响。而船体自身的质量是关键的因素，在设计规划中船体结构需要进一步的衔接、加工，其质量、结构也是动态变化的过程，载荷能力的测算是过程性的计算，需要通过系统的信息整合实现最终的承重估计，并且要充分考虑到航行条件的限制。

四、船体结构形式

船体结构的基本方式是板和型材的组合，又称板架结构。根据结构所处的位置和做用，人为的把他们分成若干板架，如船底板架，甲板板架，舷侧板架和舱壁板架。由船体梁分析可知，甲板和船底板架相当船体梁的上下冀板，舷侧板架相当船体梁的腹板，他们的做用不同，骨架排列方式也不一样，通常分成纵骨架式和横骨架式结构。

大型的船舶设计要根据实际的承重要求调整相关的架构方式。甲板和底部的设计可采用纵向的承重骨架，通过支撑力增加船体的安全性能，板材也要满足基本的受力要求，同时要考虑极端条件下的承重上限、船舷应根据实际设计横向的结构，保证受力均匀、载重性能好，横向的设计另一优点是占用空间小，能够为船体设计提供更大的舱容。

在纵向结构的装配过程中，有较多的纵向构件要穿越横向构件，在分段合拢时，纵向构件的接口较多，这些都使得纵骨架式结构装配比较困难，所以有些情况下，即使甲板和船底也采用横骨架式结构。

对于干货船，上甲板宜于采用横骨架式结构的情况是：

1.船长小于10米时；船长在10米至130米以内L/D小于12；总弯矩比较小，中刨面模数要求值比较小，局部强度条件成为主要的。

2.上甲板經常放置货物，因而横向载荷较大，如果采用纵骨架式结构，较大的横梁会影响舱容。

对于船底宜采用横骨架式结构的情况是：（1）船长小于10米，L/D小于12时，船底外板的厚度不是由强度条件来决定，而是由锈蚀磨损来控制。（2）船的中垂弯矩远大于中拱弯矩。（3）船底易于搁浅，或舱内用抓斗起货而舱底无护板时，船底板厚度主要由磨损来决定。

舷侧结构型式，由横舱壁间距和甲板到舱底距离而定。一般垂向距离较小宜采用横骨架式，这对冰区航行尤为重要。丹东地区冬季常有漂浮冰排，船舶舷侧结构骨架型式就要考虑这一因素。

五、结构钢材的选择

船体材料从承重和航行条件的要求下，多采用结构稳定的钢结构，具体的设计还要配合不同性质的材料，轻便、结合性好的铝材料、混凝土等都可以是配合的材料、钢结构是设计主体，在保证其质量和性能的前提下，要考虑使用质量轻、易联合的材料，以满足复杂的设计工艺要求，多重材料的组合不仅满足技术要求，还能最大限度地节省钢材料，减少费用预算。材料的使用要满足结构的稳定和航行的安全，充分考虑海水等外在条件的影响。小型的船只设计要采用稳定强的横式机构，并加大板材的厚度，以满足基本的安全航行要求。大型船舶设计要考虑减轻材料的重量以控制船体的质量，满足航行、货运等承重。

六、结语

综上所述，船体结构的生产设计需要紧紧围绕一个科学合理的理念，本文中所论述的各种不同情况，坚持做到根据船体设计、管理以及工艺的现场而展开，从而为船体的设计提供了一个良好的指导，进而实现了船体设计质量以及管理工作有效结合的目的，为船体结构在建造中降低成本、提高效率和质量。

参考文献：

[1] 罗晓明.FPSO船体结构设计要点[J].船海工程，2015，（05）：117-120+127.

[2] 胡在超.DFMA在船体结构设计中的应用[J].广船科技，2009，（01）：9-12.