肖大銀

（舟山中遠海運重工有限公司浙江省，浙江舟山 316131）

0 引言

船舶具有造價高、使用期長、環(huán)境載荷惡劣等特點。在其使用期內(nèi)可能遭遇到多種事故，這些隨機的事故一旦發(fā)生，將對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響，導(dǎo)致整個船體結(jié)構(gòu)失去工作能力，造成很大的經(jīng)濟損失。近年來，我國船舶制造業(yè)得到了突飛猛進的發(fā)展，激烈的市場競爭不僅為船舶設(shè)計行業(yè)帶來新機遇，也帶來了前所未有的挑戰(zhàn)。為保證船體結(jié)構(gòu)設(shè)計的安全性能、使用性能、經(jīng)濟性能等滿足市場需求，船體結(jié)構(gòu)設(shè)計質(zhì)量需要滿足更高的標(biāo)準。基于此，完善船體結(jié)構(gòu)設(shè)計理念，提高結(jié)構(gòu)設(shè)計的生產(chǎn)工藝性勢在必行。本文對船體結(jié)構(gòu)設(shè)計的理念及其對船舶建造的影響進行介紹，并對設(shè)計中細節(jié)處理措施和提高生產(chǎn)工藝性的方法進行分析，以期為船體結(jié)構(gòu)設(shè)計提供一定參考。

1 船體結(jié)構(gòu)設(shè)計的理念及對船舶建造的影響

在船舶建造中，船體結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)劣能直接影響船舶建造的周期及成本。因此，船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計人員需要根據(jù)客戶的要求，在滿足船舶建造規(guī)范的前提下，綜合考慮船舶的安全性、使用性、整體性、工藝性、美觀性及經(jīng)濟性，這也是船體結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本理念。

安全性是整個船舶建造的基本質(zhì)量指標(biāo)，保障船舶的安全性是船體結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本前提。結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)保證船舶在各種外力作用下具有一定的強度，以及必要的穩(wěn)定性與剛度，不致因構(gòu)件強度不足或失穩(wěn)而引起結(jié)構(gòu)的損壞，也不能使變形超過允許范圍。此外，還應(yīng)使船舶結(jié)構(gòu)具有良好的防振性能，使其在各種激振力作用下，不會產(chǎn)生過度振動。

使用性即船舶是否能較好地完成預(yù)定的使用任務(wù)的性能，提高使用性是設(shè)計中處理一切問題的中心。結(jié)構(gòu)的布置與構(gòu)件尺度的選用應(yīng)符合營運的要求，設(shè)計人員對與此有關(guān)的各種因素，必須有明確的概念，并采取合理的技術(shù)措施。

整體性要求結(jié)構(gòu)設(shè)計必須與船舶性能、輪機、設(shè)備、電氣及通風(fēng)等設(shè)計密切配合，相互協(xié)調(diào)，分清主次，確保船舶在各個方面都具有良好的工作性能。

工藝性要求結(jié)構(gòu)形式與連接形式的選擇應(yīng)便于施工，以提高勞動生產(chǎn)率。在選用結(jié)構(gòu)材料品種時，應(yīng)適當(dāng)減少規(guī)格，以便于船廠采購和備料。此外，應(yīng)根據(jù)船廠的設(shè)備情況、生產(chǎn)組織管理等特點，合理制訂船體建造的原則方案，采用先進的工藝措施，降低船舶的建造成本。

美觀性包含船舶造型與內(nèi)部裝潢等2個方面，船舶外觀造型的好壞會給人以深刻的觀感和印象，內(nèi)部空間的合理布局會提高船舶的適用性，要從船舶美學(xué)觀點，求新求美，給人們藝術(shù)享受。

經(jīng)濟性指船舶完成規(guī)定任務(wù)時，資金的耗費和積累情況。在考慮結(jié)構(gòu)強度、構(gòu)件的腐蝕余量和使用、維修情況后，盡量減少結(jié)構(gòu)的重量以使船舶具有更好的經(jīng)濟性能[1]。

按照規(guī)劃過程，可將船體結(jié)構(gòu)的設(shè)計步驟分為初步設(shè)計、詳細設(shè)計及生產(chǎn)設(shè)計等3個階段。初步設(shè)計是從收到船東的設(shè)計任務(wù)書或詢價開始，進行船舶總體性能和主要技術(shù)指標(biāo)、裝置、各系統(tǒng)的原理設(shè)計，這是一個設(shè)計計算和技術(shù)洽談的工作過程。詳細設(shè)計根據(jù)造船合同確認的技術(shù)文件以及修改意見書進行各個具體技術(shù)專業(yè)項目的設(shè)計計算和關(guān)鍵圖的繪制。生產(chǎn)設(shè)計是從施工的立場出發(fā)，用于解決怎樣造船與怎么合理組織造船生產(chǎn)的一種設(shè)計。船體結(jié)構(gòu)設(shè)計的各階段都需要與船東和船廠進行溝通協(xié)調(diào)，設(shè)計的進程直接影響船舶建造的周期。

2 船體結(jié)構(gòu)設(shè)計中的細節(jié)處理

船體結(jié)構(gòu)設(shè)計是船舶運行安全的關(guān)鍵，其設(shè)計過程中的細節(jié)處理不僅關(guān)系著船舶建造中的安全質(zhì)量，而且與船廠建造成本及周期有直接影響。

2.1 止流孔的設(shè)置

船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計中涉及到眾多類型的止流孔，在滿足設(shè)計規(guī)范的前提下，合理地布置止流孔是船體生產(chǎn)設(shè)計的一個重要關(guān)注點。常規(guī)止流孔的設(shè)置可分3種類型：

1）貫通的零件在水密結(jié)構(gòu)相鄰處（已開角隅或切口時），可兼有止流孔作用。

2）全焊透部分無需止流孔。

3）組合型材上下都要開設(shè)止流孔。

常規(guī)止流孔開設(shè)節(jié)點情況見圖1，圖中10RV(K)是指需要封堵半徑R10的開孔，封堵前要打V型坡口或者K型坡口。

圖1 常規(guī)止流孔節(jié)點圖（單位：mm）

2.2 肘板端部與型材連接的設(shè)計處理

船體結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中會遇到大量的肘板端部與型材連接的設(shè)計處理工作，若處理不好，往往會導(dǎo)致船舶在運營中出現(xiàn)裂縫，造成船舶回廠返修。處理肘板端部與型材連接的節(jié)點不僅要考慮船體的結(jié)構(gòu)強度，還要充分考慮船舶的建造難度，常規(guī)肘板端部與型材連接的典型節(jié)點有5種，見圖2。圖中，D為型材高度；A為球扁鋼球頭高度；θ為肘板削斜角度；BKT為肘板縮寫。

圖2 常規(guī)肘板端部與型材連接的典型節(jié)點（單位：mm）

2.3 特殊角隅布置情況

合理的角隅設(shè)置可以減輕操作難度以及工作量，讓設(shè)計更加的人性化，更符合生產(chǎn)工藝性。特殊角隅可分3種類型：

1）對于不能進行包角焊的區(qū)域，開設(shè)10 mm×10 mm的切角（10C），見圖3。

2）對于應(yīng)力集中區(qū)域，不能開角隅，見圖4。

3）對于與焊縫相鄰的區(qū)域，開設(shè)長軸40 mm，短軸20 mm的半橢圓孔，并進行封堵，封堵前打V型坡口，見圖5。圖3～圖5中，M為不在肘板或支柱范圍內(nèi)的開孔邊緣到肘板端部或支柱中心的直線距離； N為在肘板范圍內(nèi)的開孔邊緣到肘板端部的直線距離；a為角焊縫到對接焊縫的直線距離；d為型材高度；R為角隅孔半徑。

圖3 不能進行包角焊的區(qū)域角隅節(jié)點開設(shè)情況

圖4 應(yīng)力集中區(qū)域不開角隅節(jié)點（單位：mm）

續(xù)圖4 應(yīng)力集中區(qū)域不開角隅節(jié)點（單位：mm）

圖5 焊縫相鄰區(qū)域角隅節(jié)點開設(shè)情況

2.4 船體分段接口設(shè)計

對于船體結(jié)構(gòu)設(shè)計而言，船體分段接口設(shè)計非常重要。

1）接口設(shè)計需要便于船體分段裝配工作的順利實施。

傳統(tǒng)的分段設(shè)計是將艙體劃分為獨立的段落，P型的分段會讓船體出現(xiàn)中心不均勻的情況，導(dǎo)致在后期的裝配中需要大量的輔助支撐才可以規(guī)避這一缺點。在改進分段接口時，將面板加設(shè)到船體斷開節(jié)點處，這樣就形成了R型分段，從而簡化分段裝配。不僅提高了焊接效率，還能提升船體建造的安全性[2]。

2）工序前移，減少后行作業(yè)（船臺、船塢作業(yè)）的工作量。

為便于分段裝配，在作業(yè)時機艙雙層底分段的外板應(yīng)高出雙層底100 mm～200 mm。機艙前壁舾裝件較多，可考慮把舾裝件較密集的壁板劃分到雙層底分段上，加大分段預(yù)裝率。對于艏部錨臺部分的分段，可考慮把涉及錨臺的外板及結(jié)構(gòu)劃分到一個分段上，在分段制作階段安裝錨臺，減少后行施工難度和工作量。

2.5 斷梁的細節(jié)處理

斷梁的處理是船舶建造過程中極為重要的一環(huán)，需要給予足夠重視。在過去船舶建造工程中，由于梁體的處理及安裝沒有到位，導(dǎo)致斷梁現(xiàn)象時常發(fā)生。在斷梁問題處理中，設(shè)計師首先需要考慮分段定位，將斷梁部位處理點接上。在進行斷梁修補時，不僅要使梁的強度符合規(guī)定標(biāo)準，還要保證在后續(xù)運行的過程中不會影響船體的結(jié)構(gòu)強度。在不改變船體結(jié)構(gòu)理論線的同時，還要充分考慮現(xiàn)場施工的難度及成本，避免造成額外的施工工作量[3]。斷梁的典型節(jié)點及施工焊接順序見圖 6，斷梁的最小長度Lmin=300 mm，焊接順序為1→2→3→4。

圖8 斷梁典型節(jié)點及焊接順序圖（單位：mm）

3 生產(chǎn)工藝性提高方法

1）根據(jù)船廠建造能力優(yōu)化結(jié)構(gòu)

從工廠施工角度出發(fā)，考慮通過結(jié)構(gòu)設(shè)計實現(xiàn)高質(zhì)量、高效率、高安全性造船，將船廠的生產(chǎn)設(shè)備、場地及工藝流程的最大功能與特點發(fā)揮出來，是提高結(jié)構(gòu)設(shè)計生產(chǎn)工藝性的核心思想。船體的初步設(shè)計一般只能確定船體的基本結(jié)構(gòu)，在之后的詳細設(shè)計中需要對船體結(jié)構(gòu)進行細化，以便更好地發(fā)揮結(jié)構(gòu)的實際效用。結(jié)合船廠提供的建造方針、建造工藝流程、分段劃分圖等對結(jié)構(gòu)進一步優(yōu)化調(diào)整。船舶本身是一種極為繁雜的工程建造物，影響因素眾多，加上主、客觀條件的限制，結(jié)構(gòu)設(shè)計難免會出現(xiàn)各種問題，如：有些結(jié)構(gòu)難以通過具體的計算得出加工參數(shù)，需要在船體裝配的環(huán)節(jié)中，通過物理壓制、火工等方式進行調(diào)整與矯正，這就需要考慮船廠的加工能力。船體結(jié)構(gòu)設(shè)計是一個持續(xù)優(yōu)化調(diào)整的過程，優(yōu)化后結(jié)構(gòu)的合理性直接關(guān)系到船舶建造的工藝性及成本，在設(shè)計階段充分考慮生產(chǎn)工藝性，可有效減少建造過程中的額外工作量，節(jié)約建造成本。

2）及時提供船廠所需的材料和設(shè)備訂貨清單

船舶建造的整體周期雖然較長，但是實際建造時間并不充裕。在簽訂合同之時，就已經(jīng)明確了船舶交付日期，造船廠也確立了開工時間，保證建造船舶所需的材料、設(shè)備的采購周期滿足船舶建造過程中的各個節(jié)點尤其重要。船體結(jié)構(gòu)設(shè)計時會產(chǎn)生大量的優(yōu)化調(diào)整，及時提供船廠所需的材料、設(shè)備訂貨清單可有效規(guī)避因設(shè)計變更引起的供貨不及時、供貨錯誤，減少庫存，降低生產(chǎn)成本。

3）加強專業(yè)間協(xié)同

船體結(jié)構(gòu)作為輪機、電氣、舾裝等其他專業(yè)的載體，為這些專業(yè)提供工作舞臺，成為各項設(shè)計的基礎(chǔ)。因此，在進行船體結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)全盤考慮其他專業(yè)對船體結(jié)構(gòu)的要求，注意各專業(yè)之間的協(xié)同，并對舾裝所要求的結(jié)構(gòu)上的預(yù)開孔與加強的內(nèi)容納入船體結(jié)構(gòu)設(shè)計的范圍。船體的變動可能引起其他專業(yè)的相應(yīng)變動，而各專業(yè)的變動都可能會影響船體結(jié)構(gòu)。協(xié)調(diào)不及時或不徹底，將會造成設(shè)計錯誤，進而導(dǎo)致現(xiàn)場返工，嚴重時甚至?xí)绊懘敖ㄔ熘芷?，給船廠帶來重大經(jīng)濟損失[4]。

4）進行特殊設(shè)計時及時與船廠溝通

在進行特殊設(shè)計時，應(yīng)提前通知船廠進行相應(yīng)的準備工作，如：設(shè)備改進或增加；新工藝、工裝的應(yīng)用；新技術(shù)的攻關(guān)；焊接工藝評定；特殊材料的采購等。通過與船廠及時溝通，減少建造過程中因施工能力不足引起的設(shè)計變更，相應(yīng)縮短建造周期，降低建造成本[5]。

4 結(jié)論

船體結(jié)構(gòu)設(shè)計是影響船舶建造的重要環(huán)節(jié)，不論是初步設(shè)計、詳細設(shè)計還是生產(chǎn)設(shè)計，都需要保障船舶使用的可靠性、使用性及維護性。其中，可靠性作為船舶能夠有效的進行工作的前提，規(guī)定了船舶所應(yīng)該具有的承載能力，對于船舶的變形以及質(zhì)量、動力的穩(wěn)定性具有重要。倘若設(shè)計不夠完善，則舶建造進度就會減緩，生產(chǎn)成本會相應(yīng)提高，進而市場競爭力。因此，本文論述的船體結(jié)構(gòu)設(shè)計的理念及對船舶建造的影響、設(shè)計中的細節(jié)處理措施、提高生產(chǎn)工藝性的方法對提高船體結(jié)構(gòu)設(shè)計水平有良好指導(dǎo)意義。希望船體結(jié)構(gòu)設(shè)計師找準自身工作的出發(fā)點，以用戶為主線，建立自己的設(shè)計理念，提升設(shè)計水平，為船舶制造行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供技術(shù)保障。