船体结构设计和重量控制的重要性

张传论 曾宪博

摘 要：在造船市场不景气的前提下，如何降本增效，有效的控制船舶设计和建造重量，目前仍是一个值得研究的课题。设计过程中重量控制不到位，不但影响船舶總体性能、增加建造成本，严重的还会影响船舶使用安全和交船。所以探讨和分析结构设计优化和重量控制具有一定的实际意义。

关键词：成本控制；重量控制；设计优化

1、引言

目前造船市场不景气，尤其是海工市场，订单少部分订单生效后还存在船东弃单或者推迟交付等风险，即便有的项目能交付，在设计和建造过程中也存在比以往更多，更苛刻的审核意见，这就给建造计划的正常履行，成本和重量的控制增加了很大的难度。同时也对船舶的总体性能造成不利的影响，比如重量增加、稳性降低等。下面我们重点说下船舶结构设计和重量控制在设计和建造过程中的重要作用。

2、结构优化和重量控制

2.1重量控制的目的

重量控制是控制船舶在设计建造过程中的轻船重量和重心位置，使其在保证安全的前提下，满足船舶总体性能，尽可能的降低成本。

2.2空船重量内容

空船重量包含1）船体结构2）设备和舾装件3）船用备件4）管道。

2.3控制阶段

空船重量控制主要分为设计阶段控制和建造阶段控制，其中设计阶段又分为总体预估阶段和详细设计、生产设计控制阶段。生产设计阶段主要是指从钢板切割到倾斜试验期间。

2.4结构优化

结构优化设计主要分为1）构件尺寸优化2）形状优化3）拓扑优化。其中尺寸优化是结构优化中的最低层次，主要是优化各构件的截面尺寸，比如优化板厚和型材规格。形状优化是结构优化的较高层次，如修改筋端部连接样式、构件几何形状等。拓扑优化是更高层次的结构优化，即对结构布局进行优化，比如根据区域特点选用横骨架结构、纵骨架结构或者横骨架、纵骨架混合式结构等。

结构优化一般结合材料的许用应力、极限强度等在有限元分析等计算机辅助下完成。

3、实例分析

以我参与的一个铺管起重船项目为例，主要分析下结构详细设计阶段对重量控制的重要性。项目简称为E项目。

3.1 E项目简要概况

3.1.1项目主要参数

船长215.88m，型宽49m，型深22.4m，设计吃水11.8m

3.1.2 项目主要功能

E项目是我参与的一艏具有铺管起重能力的海工船项目，具备主起重机5000吨40米全回转、S-LAY+J-LAY铺管，DP3定位能力。

3.2 E项目重量控制

3.2.1 E项目重量控制介绍

此项目船用设备、铺管设备较多、系统较一般的商船复杂，这从一定程度上对设计管理和项目管理增加很大难度。这个项目从初期的基本设计到详细设计，重量控制经历了重量不断增加，重心高度不断增加到重量和重心通过结构优化减少到可控范围的过程。

3.2.2 E项目重量控制方法介绍

E项目重量控制在项目执行过程中主要采用以下方式（1）设计标准的重量控制表格模板，用来管理重量变化和重心位置变化。（2）将船舶按不同的专业划分，分别统计重量和重心（3）指定专门的工程师管理统计各专业的重量和重心数据（4）对比初始设计，对重量和重心变化较大的部分进行标记（5）任何新增加、删除、修改的数据都要更新在控制表中（6）管子、电缆、舾装、通风部分重量和重心在生产设计阶段统计完成（7）每月生成一份重量控制报告，报告中要重点分析重量和重心变化超过2%的部分的原因。

3.2.3 E项目重量控制超标原因分析

E项目在造船和海工不景气的大环境下，船东对设计指标和图纸的审核意见多，有的设计方案经过多达5次的修改，直到详细设计结束重量控制报告共有4个更新版本，详细数据见表1

从上表可以明显看出，详细设计进行到一定程度后，B版本的重量及重心较初始设计明显增加，重量增加约4000吨，重心Z方向增加1.25米。此时的重量超标已经严重影响甲板铺管区的载货量。经分析重量增加主要原因是OFE（Owner Furnished Equipment）设备重量的增加和船东额外要求造成的结构重量的增加。

3.3 E设计优化

设备一旦定型，重量将无法优化，为满足船舶整体性能指标，我们只能通过船体结构的优化对基本设计和详细设计做出新的评估和改进。通过对结构图纸的初步分析，按照规范对船体结构板材、型材等结构进行计算，经FEA验证，部分构件尺寸和布置做以下优化

（1）上建区域甲板和内舱壁板厚从8.0mm减小到6.0mm。

（2）上建内舱壁加强型材采用HP 100X6代替原有的HP 140X7，总体上可以减少约1850吨。

（3）干舷甲板下的主肋位板厚从14.0mm减小至10.0mm，经FEA校核优化后满足规范要求，可节约90吨。

（4）局部采用高强度钢替代普通钢。为避免疲劳不满足技术要求，将采用局部高强度钢替换原普通钢， 经分析重量可减少约277吨，其中艉部约37吨，舯部约97吨，艏部约35吨，外板约108吨。

（5）上建区域横梁和纵梁优化

上建区域通过采用增加柱子和减少横梁、纵梁构件尺寸等优化方式，在满足船级社规范和FEA校核的前提下可减少重量约690吨，详细见表2

（6）铺管区甲板厚度从14mm优化为12mm，剖面模数和甲板变形量以及强度变化看仅在4.5%，而且满足规范和技术规格书要求，重量可减少约77吨。

（7）优化重量汇总

结构设计通过板厚减小、材质升级、布置优化等方案，累计可减少约2980吨，从一定程度上降低了重量增加对船舶性能的影响。

4 结论

重量控制是船舶设计和建造过程中一项非常重要的工作，随着设计的深入，设备的制造、船东意见的不断融入以及现场建造的不断推进，重量和重心随时都在变化，设计前期的余量也会不断减小，如何做好每个阶段的有效控制和管理，在不影响船舶性能、建造计划和交船期的前提下做出一艏既满足客户需求，符合船级社规范、法规又经济的船舶，仍是我们值得去不断研究和探讨的课题。

随着计算机水平的不断发展和在船舶设计建造领域的应用，船舶结构选材、布置的优化以及重量的有效控制会有一个大的进步，我们作为设计工程师，我们应该清醒的认识到计算机辅助只是一种工具，更重要的是要不断提高我们设计人员的成本意识、优化观念和理论程度，同时再配合有效的项目管理和质量管理，才能使船舶建造提高到一个新的水平。

参考文献：

[1]梁志华，船舶肿剖面的可靠性优化设计[J].交通部上海船舶运输科学研究所学报，1991（1）：38-45.

[2]俞铭华，徐昌文.船舶肿剖面结构优化设计研究进展[J].华东船舶工业学院，1998（3）：36-41.

[3]俞铭华，嵇春燕等.大型油船结构优化设计研究进展[J].江苏科技大学学报（自然科学版），2006（2）：1-6.

[4]船舶设计实用手册（第三版），结构分册.

作者简介：

张传论（1982-11）、男，山东省东阿县、上海振华重工（集团）股份有限公司-船体工程师、工学学士、船体结构及总体性能方向。

曾宪博（1983-2）、男、湖北省潜江市、上海振华重工（集团）股份有限公司-船体工程师、工学学士、理学学士、船体结构及总体性能方向。