船舶结构设计方式及优化分析

郑金雪

天津智群科技有限公司 天津市 301500

摘要：进行船舶结构优化设计的目的就是寻求合适的结构形式和最佳的构件尺寸，既保证船体结构的强度、稳定性、频率和刚度等一般条件，又保证其具有很好的力学性能、经济性能、使用性能和工艺性能。本文就船舶结构设计中常见的问题及处理方法进行得简要的分析，以期为相关工作提供一定的参考价值。

关键词：船舶结构；设计；方法；优化

1结构设计的要求

　　对船体结构的设计要求大致包括以下几方面：可靠性，使用性，工艺性及维护性。其中最重要的是可靠性要求，它为船舶执行任务提供一个基础，可靠性规定了结构必须满足的应力，变形，稳定性以及动力特性等要求，目前这些要求主要反映在有关的规范，规则中。他们是根据理论计算分析，并且总结多年来航运经验制定出来，是结构设计的依据，结构设计之前要明确设计的依据。

　　工艺性主要是考虑设计的结构便于制造，保证质量。限于对钢板弯曲能力，板不要太厚，为了充分利用自动焊机，减少装配最，提商劳动效率，骨材间距不要太小.为降低建造成本，尽量使用轧制型材或标准型材。

　　使用性主要由船主提出，如舱口尺寸不能太小以免形响装卸效率，客船船体总变形不要太大以免影响旅客的恐慌，这些问题在设计中都应当考虑满足。

　　设计出满足上述条件的船体结构不是唯一的，衡量设计水平高低主要是建造成本，无论是船主还是船厂都讲究经济效益，所以设计时结构要减少材料消耗，要容易制造。重量减少了，还能相应提高航速.续航力，提高运抽力，所以结构设计要重量、成本两兼顾。

2结构设计的过程

　　船体结构是很复杂的，它由许多构件组成，他们相互连接，相互影响，理想的方式是统一设计整个结构，但这是十分困难的，至少目前难以作到，为使设计能够进行，根据各部分结构的作用，以及它们之间连接特点，可把船体分成许多子结构进行设计，如船中纵向结构和横向结构，首和尾部结构，上层建筑等。实际上船检在建造结束时也是分段进行检验的。这些子结构之间互相影响，他们之间的组合决定了船体梁的特征，这些在设计之前虽然是未知的，但都与设计有关。

　　另外，船体受到载荷也是很复杂的，这不仅是因为海洋波浪的随机性以及对船的动力作用，而且载荷中相当一部分是由结构自身重量产生的，这部分载荷在事先难以准确计算，由于船体结构设计具有这样的特点，它决定了船体结构设计任务是艰巨的，不可能一次完成，整个设计是循环、迭代、由粗到精的过程。

　　3船体结构型式

　　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，人为地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。一般地说，特别是较大的船，上甲板和船底板架宜于纵骨架式，一方面可以使更多纵向的材料布置在船体梁上下翼板，另一方面可以提高板的稳定性，充分发挥材料的作用。而抵抗总纵弯曲贡献不大的下甲板和舷侧宜采用横骨架式结构，一方面可以有效地承担局部横向载荷，另一方面由于横向骨材高度较小，这样不致于占据过大的舱容。

　　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：

　　（l）船长小于100米时；船长在100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）上甲板经常放置货物，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：

（l）船底板架长宽比L/B大于17时。（2）船长小于100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。（3）船的中垂弯矩远大于中拱弯矩。（4） 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。

4船舶并行协同设计过程的构建

4.1设计过程分析与分解

要完成并行协同设计理念下的过程分析与分解，一方面，依照设计方案将各项细则明确细化，为后续施工设计过程做准备；另一方面，在并行协同工程中注重“宏观并行，微观串行”的相关理论，对传统的船舶设计过程加以细分为初步设计、详细设计和生产设计三个大的阶段。详细的设计是基于整体设计，对设计的子系统进行深入分析。生产设计的最终目的是船舶生产，其主要过程可以总结为壳、舾、涂三大流程。

4.2设计过程的规划与重组

实践表明，设计流程之间有三种关系，即串行关系，平行关系和交叉关系。串行关系是最原始的协作关系，我们将其优化的目的就是将这种传统向著并行关系或交叉关系进行转变。通过分解与设计，对一些原始的连续工作流程并行，分工过程中进一步划分关系并进行过程重组，进而保证设计的成功率，构建设计微循环。微循环模型是一种宏观平行的，微观设计理念下的模型机制。其主要是将设计对象分解为子对象，并允许设计人员在设计对象的不同方面进行同时工作，从而大大缩短整个设计周期，提升了工作效率，该种设计理念需要完成的信息共享机制作为保障。

　　5基于并行工程的船舶设计过程的改造与优化

5.1建模

这实际上是一个需要重复设计的过程，很难做到一次性成功。就船舶工程而言，其设计过程中的各种元素之间是一个动态变化的过程，需要大量的时间作为依托才能把握其规律，对其进行精确描述，最终设计成功。在这种情况下，为了保证最大限度的成功几率，在生产实践中通常使用最小-最大代数关系来构建其函数关系，然后使用动态规划方法优化其周期。这同时也要求，我们在设计出模型并应用于并行优化的整个过程中，在模型和设计过程之间建立一对一的对应关系是非常重要的，必须要引起设计师们的高度重视。

　 5.2改造管理机制

目前，船舶制造企业开展生产设计所需要建立的模式是在设计院设计的基础上建立的，在生产设计和现场生产直接指导的基础上建立的，所以设计这种机制更好的优化方法是设计研究所和造船企业进行联合设计，组件高效、高质量的设计团队，聘请或者引用造船企业的优秀人才，从制造设计的各个环节着手，重点关注技术薄弱环节，全方位的监控生产过程和生产条件，并对从概念设计模式到生产设计模式，然后到现场生产的全过程实现无缝链接。

5.3应用辅助设计和管理技术

伴随着科学技术的不断进步与发展，计算机模拟技术被逐步应用于船舶设计和发展的全过程。尤其是在结构计算、性能计算和制造技术方面，计算机技术发挥着不可替代的重要作用。但就目前来看，计算机技术在船舶制造企业中的应用还不广泛，技术也不够成熟。因此，在船舶的设计中，由于船舶产品的复杂性，经常由无数的部分组成，而且每部分信息也可能比较凌乱，更有可能改变其动态。为了确保这些信息的完整性，有效性和准确性，难以通过手工管理手段实现。这需要一个良好的技术平台进行支持生产，同时要加强生产和管理信息集成的并行设计，使船舶设计院与制造商之间的三维船体模型变得更加完善。综上所述，在设计院和造船厂实现网络环境之间的协同设计，使造船企业在详细设计阶段开始参与设计，这对加强企业和设计院的数据库管理模式，实现优化的船舶设计过程有非常大的帮助。

　　6结语

船舶结构设计是一个多学科结合的问题，由于船舶的特殊工况，船舶结构要综合考虑振动、海水腐蚀、流体力学特性和抗冲击特性等，这些不确定性因素都会影响船舶的性能。同时，众多影响因素对船舶结构设计的整体优化提出了挑战。

参考文献：

[1]管官，林焰，纪卓尚等.基于知识的船体机构快速设计及优化[J].船舶力学，2017，21（04）：472.

[2]展春芽，姚宝，张俊等.探讨船舶主体结构设计相关问题和应用分析[J].中国科技投资，2017（01）：333.