船舶与海洋工程结构设计技术

王亮亮

【摘 要】本文主要针对船舶和海洋工程结构设计展开探讨，在船舶和海洋工程的设计过程中，最关键的就是结构的设计工作，所以，要对其结构设计的技术进行总结，研究结构设计技术的要点和方法，才能够进一步提高其设计的水平。

【关键词】船舶；海洋工程；结构；设计技术

前言

船舶与海洋工程结构设计技術有很多，要针对船舶和海洋工程的具体的设计要求和方案来进行确定，优选最合适的设计技术，只有这样才能够提高船舶和海洋工程结构设计的准确性，提高设计的质量。

1 海洋工程设备分类

随着世界经济持续高速增长，油气资源供应不足将成为阻碍经济发展的主要矛盾。为提高对油气资源的占有量，海洋油气的开发已经成为世界实现能源可持续发展的战略重点。海洋石油钻井装备产业是以资本密集和技术密集为主要特征、为海洋油气资源开发提供生产工具的企业集合，是海洋油气产业与装备制造业的有机结合体。

目前用于海洋油气钻采的海洋工程装备主要有两大类：一类为海上浮动钻井平台，另一类为海上浮式生产设施。海洋钻井平台主要包括两类：移动式平台和固定式平台；浮式生产设施主要包括：单圆柱生产平台（SPAR）和浮式生产储油船（FPSO），此外还有平台供应船及铺管船等。

2 船舶与海洋工程结构极限强度计算方法

对船舶与海洋工程结构极限强度的计算与分析在整个结构理性设计中是要求最高也最为复杂的环节，尽管通过对船体模型的有限元分析计算方法能对船体模型的构件屈曲以及塑形变形等得到较为精确的测量结果，进而精确计算出船体模型的极限强度，但是这种方法在计算过程中工作量庞大，而且计算成本很高，不利于在实际应用中推广。而用于计算船舶与海洋工程结构极限强度的逐步破坏法则在大量简化计算工作量的同时也保证了极限强度的计算精度。

逐步破坏法作为传播与海洋工程结构极限强度的主流计算方法，很大程度上是缘于对以下两方面的计算工作量的简化。（1）将用于结构极限强度计算与分析的船体模块简化为横向崩溃和纵向崩溃这两种独立的总崩溃模式。（2）通过限制相关的尺寸保证相邻两个横向刚架发生纵向崩溃。

逐步破坏法使得船舶与海洋工程的船体模型横向刚架的临界分段在中垂或者中拱过程中崩溃，这就使得机构极限强度计算简化为船体某一分段的极限纵强度的计算，在保证计算结果精确度的同时大大减少了计算工作量。

结构极限状态的一个明显特征就是结构产生崩溃，即结构丧失其承载能力与总体刚度。结构极限状态是一个极其复杂的非线性变化过程。一些壳体结构的极限强度可以直接通过特征值等来估算和计算。而在船舶与海洋工程中，结构构件可能会在不断增加的弯矩作用下发生屈曲、屈服，直至破坏。但是其他构件和已经破坏的构件可以进一步承载外界剪力荷载，这种破坏过程不会使结构的弹性刚度马上变为零，随着外界破坏不断增加，结构构件的刚性强度不断减小，最终结构构件发生崩溃。在这个过程中，只有根据逐步破坏法或者增量法，结合构件破坏情况，通过更新结构模型、采用荷载增量等才能对结构极限强度进行精确的分析计算。

3 船舶与海洋工程总体设计技术

最初的船舶总体设计手段从简单繁杂的手工计算开始。随着计算工具的更新，设计者开始标准化计算表格，简化设计过程。随着计算机技术的飞速发展，各种分析理论的不断完善，计算机辅助设计技术得到广泛应用。上世纪90代初，国内一些大的研发机构在总体设计方面主要应用一些图形化的工作站进行型线图、总布置图的辅助绘制，并用船级社开发的一些软件如Pilot、SeaSafe、GHS等进行总体性能辅助分析计算；90代中后期，进而采用AutoCAD、KCSInitialDesign、NAPA等商业化软件。

多种CAD软件产品，如NAPA、FORAN、MAXSURF、Tribon、FastShip等在船舶行业的广泛应用，使船舶与海洋工程的设计发生了深刻变革。

NAPA（TheNavalArchitecturalPackage）是一款芬兰的专业船舶计算机辅助设计软件，功能强大，是现代船舶设计的一个经典软件，为全球权威海事管理机构和船级社认可和采用。它分为应用系统、辅助系统和服务系统三个子系统。应用系统分为船舶建模、静水力计算、几何图形、舱容、装载、稳性衡准、破舱稳性、船舶下水、船舶倾斜、重量计算、船舶满载稳性、集装箱布置、船舶水动力、耐波性、船舶快速性、信息系统和NAPA钢结构。船舶建模是NAPA的核心。辅助系统包括监控、数据库管理、动态内存管理、综合输入输出、作图、错误处理和其他功能。一般的服务系统包括文本编辑、文件管理系统、计算、表格计算、图表绘制等。

NAPA软件具有以下特点：灵活多样的输入输出格式；直观友好的三维图形用户界面；对电脑软、硬件环境的广泛适用性；开放式的平台系统，具有强大的二次开发手段，并提供众多与其他软件的接口等，特别适用于船舶设计早期阶段，处理众多变量的相互关系，进行多方案对比、优化及不可避免的诸多设计更改。其功能涵盖了设计的全过程，直至生成完工文件。

此外西班牙的FORAN、澳大利亚的MAXSURF、瑞典的TRIBON等CAD软件在建模、计算分析、方案修改、输出等模块功能方面都各有特色，这些CAD软件丰富了总体设计手段，使设计师能够依据不同的设计任务选择相对适宜的软件工具，以达到最佳的效果。

在船舶CFD领域，也已出现越来越多的性能分析软件，如Shipflow、Fluent等已得到广泛应用，这些软件的预报精度达到了很高的水平。因此在新船型开发阶段和初步设计阶段，设计师可应用各类精准的分析工具进行船舶性能的预报、优化工作以获得预期的效果。

但总的来看，在设计开发过程中充分利用CFD技术进行辅助分析、优化的手段和能力还不够，设计过程中经验依然占主导地位。CFD主要用来检验CAD的结果，而不是用来驱动产品设计，两者基本上处于“孤岛”状态，没有实现有机的集成。因此，利用集成优化平台，实现船舶CAD与CFD一体化设计，最终达到船型“设计-分析-再设计”任务的自动化，具有重要的现实意义。基于CAD/CFD的船型一体化的设计思想由此产生。意大利、日本、德国等国家的船型水动力优化研究业已按照设计分析集成化、一体化的主线发展，实现了CAD/CFD的集成优化设计，达到了以性能驱动设计的目标。其研究的内容也不仅仅局限在单个性能，而是多个性能、多学科的综合优化。

就船舶与海洋工程总体设计而言，先进的设计方法和功能全面而强大的设计手段两者的有机结合，使设计师能有足够的信心，高效地给出最优化的设计方案，而设计任务目标要求无疑是判断设计方案优劣的决定性因素。

4 结束语

综上所述，船舶与海洋工程结构设计技术的种类也有很多，而且随着我们科技的进步，技术也会越来越多，那么在这样的情况下，我们应当科学合理地选取最先进最有效的技术，本文总结了结构设计的一些有效技术，希望能够为今后的设计工作提供参考。

参考文献：

[1]魏东，张圣坤.逐步破坏法计算船体梁极限强度及应用[C].首届船舶与海洋工程结构力学学术讨论会论文集.江西九江，1999：175-181.

[2]何福志，万正权.船体结构总纵极限强度的简化逐步破坏分析[J].船舶力学，2001，5（5）：21-35.

（作者单位：启东中远海运海洋工程有限公司）