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船舶主船体结构设计的若干问题分析

摘要：船舶主体结构设计时更重视其可靠性，这是船舶安全稳定航行的重要基础保障，因此在船舶主体结构设计时需要满足应力、变形、稳定性及动力特性等相关要求，要具体设计时要以航运经验及理论计算作为重要的设计依据，确保船舶结构设计重量及成本都能够满足船舶安全、稳定及经济运行的需求。
关键词：船舶主体结构；设计；问题
1船舶主体结构设计的要求
船舶主体结构设计过程中，要综合考虑航运可靠性、船舶使用性、生产工艺性、维护便捷性等多方面因素，其中尤以可靠性因素最为关键。在设计船舶主体结构时，必须严格依据相关设计规范，科学选取设计依据，这是保证船舶结构稳定性的先提条件。船舶设计最终是为船舶制造服务的，因此所设计出来的结构必须易于制造，便于进行质量控制等活动。一般情况下，船舶主体结构要尽可能多地使用标准化型材或者轧制型材，各骨材间要保持合理的间距，这样一方面有利于提高船舶制造的工艺性，另一方面也易于开展各项成本控制工作，提升船舶制造的经济性。使用性也是船舶主体结构设计的重要考虑因素，例如，在设计货船时要提前规划好舱口尺寸的大小，避免因舱口过小而对对货物装卸造成不便；在设计客船时要设法减小船体的总变形，防止航运过程中出现过大变形而造成乘客的不适或恐慌。
2船舶结构发展现状
早年建造的钢质铆钉远洋货船，舫昵部呈尖形，有舶、舰楼，中部有上层建筑，称谓“三岛式”结构。这种船型货舱底二侧设有污水沟，船壳板通过角钢与上甲板用铆钉连接，货舱口有许多大梁并用插梢梢牢，船壳板并叠铆接。这种结构抗扭性较好，刚度较大，使用寿命也较长。现代远洋货轮主尺度大大增加，舫部加球鼻，艉部削平为三角方昵，上层建筑后移，有的甚至无舶楼，污水沟改为污水井，连接的角钢没有了，货舱口的大梁也没有了，船壳平整。这种结构从模型试验来看，抗扭效果、稳定性都较差，使用寿命很少能超过三十年，大型恶性事故频频发生。这一演变引起我们极大的关注，通过分析实船存在的问题，为什么脂部钢板容易锈蚀，新造的船会出现裂缝（仓口围四角肘板与甲板脱焊）等，并通过模型和有限元计算证实，得出以下观点。
（1）船舶较大部位的严重锈蚀与弯、扭有关巨大的波浪外载荷等外力会引起板材蠕动、材质酥松、涂层撕裂、海水渗入，足以证明有一定柔性的焦油沥青漆都不能复盖牢钢板。
（2）营运船舶是“每弯必扭”，甚至“不弯也扭”船舶主尺度的增加，外力也大大增大，其中扭力不可低估。但肋骨和纵骨不参予船舶的抗扭，甚为可惜，材料潜力没有发挥出来。
（3）船壳板上逐渐严重的垂向或肿部水平向瘦马型和舱底板瘦马型与弯、扭有关。
（4）船是很软的，高边柜斜底板是散货船的致命弱点船舶在大海中航行尤如蚕起伏爬动，不但被广大船员注意到，也被各大船级社在电脑屏上显示出来。
（5）树的结构最为科学树的高度与直径之比远大于超高层大楼高度与长x宽之比。塔松（如伞、金字塔形）结构稳定，其道理就在树干上长出许多树叉，树叉的根部即树的节疤，将树木展开就可看到不在同一高度的许多节疤，这一高一低的节疤就是“诀窍”，造船业如果引进这一结果，可使舱壁加固，抗扭性可大大提高，舷侧加固，抗弯能力也有可观的提高。
（6）船舶刚度的提高，目的是要减少无谓的蠕动这可延长使用年限，降低折旧费，改善经济效益。通过计算，采用新的结构形式，船舶自重可以较大幅度地减轻。
3船舶主体结构设计问题
（1）纵、横向主要构件。船舶主要构件布置时要确保结构的连续性，剖面及高度要避免出现突然变化，主要构件要构成连续性的支撑，并尽量构成一个完整的环形框架，而且环形框架的接合处要做成具有足够半径的圆角。对于纵向构件在布置时要保证强度的连续性，部分纵向构件需要承受船体梁总纵强度，在设计时需要其要能够向船舶端中连续延伸足够的距离。特别是对于货舱来讲，其区域内的纵舱壁中的主要支撑构件要充分的延伸到货舱区域以外。同时在双层壳体范围内设置强肋骨及舷侧纵桁来全面加强双舷侧结构。而内舷侧结构在保持连续性的同时，要使其延伸到货舱区域外。为有效提高船体的总纵强度，散货船的顶边舱和底边舱都是很强的三角形箱形结构，并且还有一个很强的双层底结构及一个很强的甲板结构。单壳体散货船货舱区域双层底高度除要满足总布置的要求外，还应满足规范对一般干货船的要求。散货船双层底结构多为纵骨架式，在机舱区域，至少每隔1个肋位上应设置实肋板，但在主机座、锅炉座、推力轴承座下的每个肋位上及横舱壁下、支柱下都应设置实肋板。船体中线面处应设有中桁材，现代大型散货船已广泛应用箱型中桁材。在中桁材的两侧要设置旁桁材，在中桁材和旁桁材以及管隧的侧板上可设置纵向加强筋，以满足稳定性的需要。
（2）底边舱结构。双层底的内底板与底边舱的斜顶板之间的连接有直接焊接形式和圆弧形式两种。当为直接焊接时，旁桁材应与斜顶板对齐，双层底的内底板伸出旁桁材不超过50mm，以便焊接。内底板伸出的端部应加工成圆形状。构件之间的连接必须焊透。当采用圆弧形式时，旁桁材与内底板和斜顶板的交点的距离应符合相关规定的要求。货舱区域内底边舱的斜顶板应为纵骨架式，其底部和舷侧一般也为纵骨架式，其舭部区域多数设计成横骨架式。底边舱的斜顶板与内底板之间的倾斜角一般在45～50°之间。底边舱内在肋板处应设有支持纵骨的横向强框架，横向强框架上开有较大的通道孔，开孔边缘应用扁钢进行加强。横向强框架边缘的加强扁钢与纵骨之间一般均应设置加强筋，以提高横向框架腹板的稳定性。
（3）箱形中桁材。箱形中桁材主要代表桁材设置在船双层底中线面处，主要包括两道平行的水密侧板、内底板、外底板及骨材等。箱形中的桁材主要用来进行管系的布置，这样管子即使穿过货舱时也会影响装货。在机舱前端壁还要开调具有水密装置的入孔，这样会对人员进行箱体中进行检查带来更多的便利。而且在箱形中桁材还要开设能够通向露天甲板的应急出口，在箱形中桁材可不设置在机舱及后面的舱内。箱形中桁材的侧板的厚度设计时要大于水密肋板的厚度，而且两侧板之间的距离也要保持在2m以上，这样船舶进坞时底纵桁能够搁置在墩木上。由于横向强度受到削弱，可以适当的增厚箱形中桁材区域船底板和内底板，实现对横向强度的有效补偿。在箱形桁材中设置横向骨架，横向骨架一般以环形框架形式、船底横骨和外底横骨形式为主。横骨架式结构箱形中桁材的每个肋位上应设环形框架或船底横骨和内底横骨。横骨的跨度中央设间断的纵向骨材。同时侧板外侧无肋板的肋位上，应设置与实肋板等厚的肘板，并与船底和内底纵骨连接。箱形中桁材端部与中桁材的衔接处应有不小于3个肋距的相互交叉过渡区，以保证结构纵向的连续性。
（4）有关构件的连接、连续。在船体结构中，部分高应力区域内其部件连接部位应力较为集中，这些地方是造成船体结构疲劳损坏的主要原因。这就需要在设计时要对构件连接部位的设计进行重视，提高船体结构中相关部件的疲劳寿命。1）在船舶货舱舷侧主要采用横骨加工，而且在每个肋位都要设置主肋骨，上下两端应用肘板需要与底边舱和顶边舱进行连接，可以将肘板端部设计成软趾，有效的降低结构节点处应力集中情况，可以采用对接或是搭接的形式来连接肋条骨与肘板。2）当纵向强构件间断后，要进行过渡处理，并在设计时充分对底边舱、顶边舱首尾末端结构的连续性进行有效考虑，有效的保证主要纵向构件具有较好的连续性，避免应力集中现象发生。构件在舱壁或是其他主要构件的两侧进行对接时，在保证位置处于同一直线上，确保连接的两个构件之间保持足够的连续性。
3船舶主体结构设计注意事项
（1）突出设计船舶的特点
由于船舶的类型、用途及其他某些方面特点的不同,其设计时的中心问题也各有区别。例如客船和油船的结构比一般干货船要求要高,在规范中单独设章,特别作出补充规定,这主要是出于从保障旅客生命安全和保护生态环境角度考虑,规范规定如此,设计时就应突出船舶的特点,并将其他问题服从于这一主题。
（2）荷重的有效传递性
构件的布置应按一定的空间顺序进行排列,以保证任一承载构件向相邻构件(结构)的有效传递,有利于某处构件受到外力作用时,整个结构具有连锁反应、相互补偿的作用。
（3）构件的连续性
一种结构型式或某一种构件,在其布置方向上不能突然中断或尺寸有明显的突变,以免破坏内力的有效传递或引起应力集中。如船底的纵向构件应尽可能连续贯通至首尾,若无法连续而中断,则应各自向舱壁的另一面延伸,相互交错两个肋距以上;中部纵骨架式向首、尾横骨架式过渡处,纵骨不能同时中断在同一肋位,而应逐渐延伸后消失;连接实肋板与强横梁的肋骨应为强肋骨,而非普通肋骨,以遵循等强度理论。
（4）构件间的等距性
支承构件应尽可能按等间距规律布置,以便依照等强度条件决定尺寸,充分利用材料,降低自重。如按等肋距布置的实肋板;按等间距布置的普通肋骨和横梁、强肋骨和强横梁;以及按等间距要求在甲板枞桁设立支柱而缩短跨距等,均出于此目的。
（5）肘板连结的重要性
船体框架一般是各构件通过节点处肘板连接而成为一整体的。因此,船体构件在舭部、舷侧及舱壁等处一般要转向过渡,出现众多节点。在节点处构件之间采用肘板连接,既可以保证构件的刚性连接,传递载荷,减少应力集中;又可以把庞大的船体结构框架分解成不同方位的构件,方便构件预制、加工和上船装配焊接,从而大大减轻工人的劳动强度,并降低对工厂起吊设备的要求。
（6）规范的适用性
不同的船型、船质,不同的主尺度及比值的民用船舶,应根据具体情况选用对应的现行规范设计和计算,科学选择构件尺寸,保证船体的强度。
（7）强度与质量
船体的结构强度是以一定质量与型式的建造材料为基础的。保证船体的结构具有足够的强度、刚度及稳定性是设计者应首先考虑的问题,否则就有可能出现船体结构的变形、破坏,影响其使用寿命,甚至发生危及船舶及人命、财产安全的事故。有的船舶建造后投入营运不久,外板、焊缝多处出现变形、裂缝,内部结构失稳,机器轴线偏移,不得不进厂返修加固。如我省某公司第一批建造的两艘1000t级分节驳使用不到1年,就出现船体纵向中垂现象,其船中空载状态时下沉变形挠度值7～9cm,重载状态时下沉变形挠度值11～13cm,以致后来营运不得已采取减少装载措施,确保船中核定的干舷高度,以满足船舶的结构强度及储备浮力要求,每艘船舶由此减少载货量近50t,损失率达5%。后来设计部门、承建船厂对纵向结构重新设计、计算并予重点加强,从而防止了变形事故再次发生。出现这种情况,通常采取的方法就是加大构件的结构尺寸来提高船舶强度。但是,若构件尺寸过大,强度过剩,又会造成材料浪费,成本加大;造成船舶自重增加,运力减少;有时甚至对局部强度产生不利影响。可见,这又是矛盾的。
4结束语
船舶主体结构设计是一项科学性极强的工作，同时也是一个动态优化、不断改进的过程。设计人员要在坚持相关设计原则的基础上，不断对结构设计进行优化调整，在确保船体结构强度的同时，尽量减轻船体自重，提高船舶航运的经济性，充分发挥船舶的使用性能。
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