船舶结构优化的基本要求与设计方法

李晓利

（中船澄西船舶修造有限公司，江苏 江阴214433）

0 引言

优化船舶结构是为了提高船舶的力学性能、降低经济成本、提升实用性能、增加工艺性能。优化原则是找到更匹配的结构尺寸和结构的组合方式。降低经济成本不是偷工减料，而是寻找更适合结构要求且价格经济的替代品，优化目标要建立在保证原有优势的基础上，提高船舶结构的强度和刚度，确保其稳定性，保证频率等。计算机分析和仿真结合应用到船舶结构优化设计上，优化后的效果事半功倍。人工智能和专家系统技术结合应用到船舶的智能结构设计上，已取得突破性进展。

1 结构优化设计方案

1.1 基于建造要求添加起重机

添加起重机并移动原起重机，新修改增加左舷建造在船尾右舷1/4处，共3台起重机，地图库加固，根据起重机底座结构加固图和加工图之间的修改图，原艉部结构、原结构、液压伸缩式起重机、起重机建在中央总布置图上，检查液压伸缩式起重机的加固结构，计算由MSC/Patran、MSC/Nastran处理。加固结构和相邻船体结构由普通钢制成。根据规范，对板单元中间平面的复合应力进行评价。粗格栅的许用应力为188 N/mm2，细格栅的许用应力为300 N/mm2。所有加固结构均根据起重机底座结构加固图中所述的厚度进行建模。所有板、桁架、支架和骨料均采用板单元进行模拟，边界条件在建模范围和主甲板处得到简单支撑，即3个自由度的位移受到约束。设备制造商提供的安装接口上支撑力的最大倾覆力矩为540 kN、135 kN垂直荷载和68 kN旋转力矩。同时，垂直荷载、旋转力矩和倾覆力矩作用于底座的安装界面。其中，垂直荷载方向为垂直向下；转动力矩逆时针施加；倾覆力矩方向从0°～360°，每45°计算1个工况[1]。

考虑到甲板上浪后排水的要求，为方便操作和确保船员安全，船尾1 m高度的舷墙不作修改。根据经验，右舷安装钢护舷，以防止船舶停靠时发生碰撞。船舶检验审核优化建议，检验部门根据中华人民共和国海事局、《国内航行船舶法定检验技术规则》（2020）、《中国船级社《国内航行船舶建造规则》（2018）及其修改通知，对结构设计的修改进行审查，提出措辞说明和安全通道，有限元计算应发布相关内容，例如：修改说明应尽可能完整，提交文件的内容应与说明一致，并应添加“修改”或“添加”等字样加以区分，客舱名称应统一、简化。专业名称的统一表述和正确引用明显符合规定和规范。新主甲板上的处理室应配备至少2个逃生通道。主甲板上处理室的左舷艉是主要的人员通道，左舷艉是航运通道，也是应急人员通道。增加通往冰室的坡道。冰舱内有两条人员通道，斜梯为主通道，直梯为应急通道。应清楚地反映起重机的具体位置，并扩大模型的横向范围。

以1艘钢质、单甲板、单底、双引擎、双螺旋桨、柴油驱动的尾式冷水群育工业船为例，在中国近海航行区作业（冬季不在冰区航行），全长86.0 m，垂线间距81.1m，宽18.0 m，深度5.2 m，该船是2006年建造的甲板运输船。十年后首次改装，本次是在改装后的基础上二次改造。本次是为了改造捕捞加工系统的性能，想要实现深海冷水群养殖的鲑鱼深度捕捞和初加工的自动化。为此，建造1个100 m2的大型加工室。捕捞是通过甲板起重机的后部设置了抽吸泵末端的吸管鱼，鱼通过抽吸泵将鱼抓到中间的船上加工，加工后的自动加工设备，靠近包装好的渔具，最后加工好的产品是通过起重机运输到另一艘运输船上的。左舷艉吊和新增右舷艉吊和侧吊的有限元强度计算时间短，任务重。第一次改装后，在主甲板下设置14个鱼缸（1个备用鱼缸）。在主甲板上设置饲料罐、颗粒饲料室和渔获物仓库，以便于喂食，并设置冷藏肉类仓库和蔬菜仓库，以满足海上长期作业的材料要求。在左舷，从船尾到船首，有液压泵室、颗粒饲料室（P）、加工室（预留）、鱼类储藏室、肉类储藏室、蔬菜储藏室和冷凝设备室。从船尾到船头，有更衣室、鱼类孵化室（预留）、颗粒饲料室、苗圃实验室、监控室和值班室、健身室和娱乐室、设备室，以及长甲板室的甲板结构布置（如图1所示）。船体结构符合《中国船级社钢质海船入级规定（2015年）》为适应海上贸易船舶设计的要求，船舶采用焊接结构，其中船用结构钢级采用CCSA焊接材料，在一些特殊结构中，如主梁和板的主体、底板采用低氢焊条焊接等。该船为混合框架结构，改装后的甲板室为横向框架结构。船体结构主船体原2号储冰舱设有冰舱，增设1050、3250平台、切冰机及启闭机，舱内设有两条逃生通道，左舷楼梯开启主甲板，主甲板加工间设直梯。将原1号储罐改造为2600平台的冰浆储罐，布置冰浆系统。这间小屋是为偶尔出入作准备的，其中设置了一条通向主甲板的逃生通道。这次，是在原构件的使用基础上改造的，恢复主甲板下方立柱的设置，让构件保持连续性且尽可能减少动量和施工量，节省时间。在造船厂的施工中，当冰舱底部的内部组件打开时，冰舱的右舷管道影响1050平台底板的焊接。考虑到储罐容量没有受到影响，因此进行局部提升，以减少改造量。为便于冰盖机的吊装，根据实物在现场开工艺孔，并按图纸所示原图纸将开孔结构焊接牢固，以减少舱盖设置，不妨碍通行。

1.2 坚持绿色低碳、数字化结构模式改革

2021以来，更详细的集装箱船设计进入关键阶段，面对高钢价的形势，集装箱船的目标，从多维推进船舶结构轻量化设计、零部件和合同设计、综合推广应用到多个项目的设计中，取得显著成果。设计团队建立涵盖标准计算、客舱有限元和整船有限元的结构安全评估技术体系。通过多次迭代计算，“计算和精算灵活性”，可以最大限度地优化和细化船体设计。团队成员齐心协力开发、移植和推广创新结构设计形式，包括大肋框架、混合横隔板、舱盖轻质支撑等。同时，深入开展结构简化设计，并对艉板接头数量和上部结构配筋布置进行优化，有效减少结构件数量。通过实施上述优化设计，在满足船东对“添加”构件尺寸的特殊要求的同时，船体重量可减少约360 t，并可降低材料成本和施工成本。总结相关经验，形成标准化设计指南，并在后续产品中全面移植推广[2]。增加加工间，在改装中，由于新的生产线，在主甲板前部增加一个封闭的加工室。所处鱼缸供水管道和加工室的干扰位置也做了调整，移到了靠近舱口边缘的右舱口处。想要对加工室（长甲板室）的通道加宽，是有严格要求的。采用π型钢作为垂直桁架，并在主甲板下方对齐坚固的元件，以更好地传递力，并满足规范要求。结构的改装过程要与配合船厂，船东和船厂双方技术交底，互相提交图纸资料，帮助改造项目尽早完工。根据初步改造以后，再新增加一条生产线，用于配合检验改造后船舶的结构布局、是否符合规范要求等方面的研究工作。起重机的优化改造要满足新的标准规则，对后期的船舶建造和维护提供便利。船舶新生产线的检验功能是船舶优化的过渡期，及时检验是为了高质量船舶设计改造任务。

比如，造船行业进行整体危险区划分、防火分区；设计的整体结构特点是任务量大、设计复杂、用时久等。每个模块的设计都要考虑船体结构的布局匹配度是否合理，因此提高设计效率是船舶整体设计的关键。骨架模型相当于是结构专业的定位信息，其他专业也会分别对应基本的船舶布局模型，骨架模型在此处起到寻找形状信息的作用。整艘船按照一定的规则划分为若干个区域，在基本布局模型上细化，又创建了船舱的舱室模型。在此阶段，CATIA的绘图功能可以辅助专业结构的二维设计。以初步重量估算、辅助二维设计、水动力性能和有限元建模为主要目标，以CATIA的功能和应用以及船舶初步设计的演示为例。同时，对壳体设计建模要素进行解释，CATIA对线性变化更复杂、更严重的区域的建模效率更高。

在此阶段，CATIA的绘图功能可以辅助专业结构的二维设计。

1.3 添加支架，加固框架

检查旧舱壁与水密舱壁，在保留原有结构的前提下，根据深槽板厚度的计算公式，研究发现液体密度、压头和材料系数均为固定常数，不能改变。我们能讨论的唯一值是S值，即纵向骨间距。原始纵向骨骼之间的距离为846 mm。如果在2个旧纵向骨骼之间添加1个新纵向骨骼以将S值更改一半，则根据分析和计算，在2个旧的纵向骨之间添加1个新的纵向骨是可行的，旧的内板可以保留而不需要更换。旧的船舶纵向规范不能满足新设计的要求，根据纵向规范的公式，发现纵向间距、密度[3]。因此，可以通过增加支架来满足纵向骨的强度。如果通过在此处添加支架的方式仍不能满足设计要求，如将旧船本身添加在双支架中，有大支架或侧边，通过添加支架的方式可以减少右舷跨度值，然后可以在原来的2个坚固的框架之间再加一个坚固的新框架或坚固的肋，纵向跨度为1.6 m的一半。

比如，前后横墙和纵墙应按照上述设计思路进行加固和改造，先对结构做荷载解，即对各种环境荷载进行计算和模拟，目的是为结构设计提供输入。环境荷载包括波浪荷载、水流荷载和风荷载，是最复杂的波浪荷载之一。环境荷载确定后，下一步是结构整体响应分析，船体作为h型梁在水中弯曲，甲板和底部作为两翼上下，纵向舱壁和侧面作为梁腹板，这是等效梁法的图例，静水荷载效应的确定性就在其中，而波浪诱导统计，梁法的求解已经为经典的欧拉前人和蒂穆辛科前人铺平一条平坦的道路。在整体响应分析之后，还对局部子结构进行响应分析，以确定船体模块和主要部件的荷载效应。此外，我们还需要进一步确定荷载效应的极限值，即极限状态分析。上述分析结果需要一个标准来评估它们是否满足要求。该标准是针对不同情况选择的适当结构可靠性约束表达式。以上是结构分析的一般过程。如果满足约束条件，则证明结构可靠；否则，应优化上述设计，更新尺寸，或修改梁的应力分布，直到满足要求。

1.4 加强船舶运动响应预测和结构强度评估

如果用一句话来概括船体结构的研究内容，笔者认为是：船舶运动响应预测和结构强度评估，主要包括响应分析、强度分析和承载力分析。响应分析是结构在规定荷载大小和振型下的响应，属于正问题。可以借用有限元软件工具建立模型，输入载荷、工作条件、边界条件，并输出美丽的云图。承载力分析是一个相反的问题，表明结构在哪种载荷模式下能承受多大的力，超过这个范围就会失效，失效模式主要包括屈服、屈曲、疲劳以及碰撞撕裂和折叠。强度分析中的强度是指在特定载荷下，在特定条件下比较结构不变形或失效的能力。如果输入荷载随时间变化，则进入结构动力分析领域；如果载荷是周期性的，则进入结构振动和噪声分析领域。

一般来说，主要尺寸不是由结构因素决定的，而是由更一般的条件决定的，如吃水、航道宽度和所需的舱室或甲板面积。结构设计师的重点是确定所有构件的尺寸、位置和间距。在详细设计中，更详细地确定局部结构的几何形状和尺寸，如支架、连接、开口和加固。无论船舶大小，结构部门发布的技术文件通常是相似的。总平面布置图和剖面图确定后，结构可根据总平面布置图和规范要求绘制基本结构图和结构规范计算书。框架剖面图可以根据剖面图绘制，也可以从NAPA、MAXSURFsetrib等整体软件中导出到CAD，确定基本结构和框架图，可以绘制出横隔板、横截面图和壳体膨胀图，还需要绘制船基结构、首端图、尾端柱图、球鼻艏、舱底龙骨、轴封规范、黑色金属板等。为满足结构要求，绘制前还需要进行一些计算，包括总纵强度计算，板格、纵骨、板架和舱室的局部强度计算，总振动计算和局部振动计算。总振动的计算原理是迁移矩阵法，局部振动的计算原理是能量法。可以使用有限元软件进行计算，也可以使用一些小程序，所谓的小程序就是公式推导加FORTRAN这个小计算器，编程和调试程序的过程比较痛苦，一旦编译后应用就非常方便 ；如果使用有限元方法，初步建模工作将非常庞大。值得注意的是，有限元理解存在一个误区，即有限元计算不能脱离规范，结构尺寸的前提仍然必须符合相应规范。

2 结语

船舶的生产过程兼具制造和建造的特点，造船和建筑之间也有很大的区别。现代造船设计不仅要解决“建造什么样的船舶”的问题，还要解决“如何建造”的问题。因此，设计指导思想和理论方法不尽相同。传统造船设计以功能、系统、专业为基础，现代造船以成组技术制造原理、相似性原理、系统工程思想和整体优化理论为指导，对“怎样造船”进行合理规划。