船舶主体结构设计相关问题及对策

常永辉

摘 要：船舶结构设计是一项十分复杂的工作，既要考虑可靠性、使用性等因素，又要兼顾制造工艺性、经济性等方面的要求。近年来，随着船舶发展的日益大型化、高速化，船舶结构设计要求越来越高，尤其是船舶主体结构设计，成为影响船舶航速及续航能力的关键。基于此，本文分析了船舶主体结构设计的要求，阐述了船舶主体结构设计应考虑的因素，并提出了船舶主体结构设计的对策，以期为相关设计人员提供借鉴与参考。

关键词：船舶；结构设计；考虑因素

中图分类号：U661 文献标识码：A

船舶航运过程中容易受到恶劣工作环境的影响，且船体时刻处于多重荷载的影响，这对船舶结构设计提出了较高要求。在船舶主体结构设计过程中，应针对纵横向构件、底边舱结构、箱形中桁材、构件连接等进行重点设计和研究，以切实提高设计可靠性，保证船舶航运安全。

一、船舶主體结构设计的要求

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。

二、船舶主体结构设计的考虑因素

1.工作环境

船舶在营运期间长时间地与海水等腐蚀性介质接触，很容易出现结构腐蚀问题，若保养工作跟不上，腐蚀不断加重，最终可能出现构件锈穿，导致船体强度大幅下降。与此同时，受不良气候、波浪拍击、货物装卸等方面的影响，船体很容易出现疲劳性损伤，在腐蚀与疲劳损伤的双重作用下，很可能出现船壳破损进水等严重事故。同时，船舶航行过程中，不可避免地会受到波浪的冲击，这种冲击轻则造成船体外板腐蚀、变形，重则引发船体中垂弯曲等问题，使船体应力出现较大变化。此外，当船舶遭遇大的浪涌冲击时，波浪反复交替作用，会使船体扭曲、中垂等负面状态进一步恶化，严重时会造成荷载分布的严重失衡，影响整个船舶的航行安全。

2.船体载荷

船舶航运期间，同时受到多重荷载影响，如船体自重、海水浮力、风力、惯性力、物资压力等，此外，个别情况下还可能产生爆炸、撞击等突发性荷载。在设计船舶主体结构过程中，应充分考虑上述荷载的影响，通过一定的结构设计来抵消、分散不良荷载的影响，保持船舶整体荷载均衡。船舶主要荷载分布情况如图1所示。

三、船舶主体结构设计相关问题及对策

1.纵横向构件

在设计船体的主要构件时，应保证结构具有较好的连续性，尽量不要出现结构断层或高度、剖面上的突变。通常情况下，可将主要构件设计成完整的闭环框架，且把框架上各接合部位设计成具有一定半径的圆角状，形成平滑、连续的船体支撑结构。如果是纵向构件，在设计时应确保强度的连续性，个别纵向部件直接关系到船体梁总纵强度，在布置时应将其向端部延长足够的距离。尤其是在货舱设计中，需将位于货舱部分的纵舱壁中几个关键支撑构件延伸至货舱外部，并在双层壳体部分进行加强处理，通常做法是加设强肋骨和舷侧纵桁。

为保证船舶总纵强度，建议将散货船的顶边舱与底边舱都设计为高强度的箱型三角结构，同时辅以高强度的双层底结构。对于单壳体散货船，在设计货舱部分的双层底高度时，不但要考虑总布置要求，还必须符合规范中对于普通货船的设计要求。散货船所采用的双层底一般为纵骨架式结构，在机舱部分，建议设置主肋板，一般每隔一个肋位设一个即可，如果肋位处于主机座、锅炉座等基座下方，则必须设置主肋板。距艏垂线0.2L以内可以每隔一个肋位设置一个主肋板，其他部位可以每隔3或4个肋位设一个。根据中国船级社相关规定，主肋板的间距不得超过3.6m，船体中纵刨面需要设置龙骨，但目前大型散货船大都以箱形龙骨取代之。龙骨两端应设置旁龙骨，根据新版船舶结构共同规范，两个相靠龙骨的间距应保持4.6m以上，抑或船底一般扶强材间距的5倍以上，在实际设计中，可以取其中较小者。

2.底边舱结构

船舶底边舱斜顶板和双层底内底板交接处可以采用焊接连接或圆弧连接两种不同形式。如果采用焊接方式，旁龙骨必须和斜顶板保持对齐，且内底板伸出旁龙骨的部分不得大于5cm，若伸出部分过长，在后续焊装横向框架上的扇形补板时会遇到一些麻烦。同时，内底板伸出部分的末尾需设计为圆形，各构件之间一定要焊透。

船舶货舱部分的底边舱斜顶板采用纵骨架式结构，船舷与底板交接的弯曲部分不做特别要求，采用横骨架或纵骨架式结构皆可，但一般以前者居多。

船舶底边舱斜顶板和内底板面应当保持45°～50°左右的夹角，肋板处需要设置横向强框架，以对纵骨起支撑作用，同时框架上需要设置足够大的通道孔，通道孔边缘用扁钢做加强处理，且扁钢和纵骨间通过加强筋进行稳固。纵骨穿过通道孔的部分需要安装补板，补板与两层底板及船舷外板相连，具体尺寸大小可参照相关规范来决定。

3.箱形中桁材

箱形中桁材俗称箱形龙骨，可设置于散货船双层底中线面处，用来取代普通龙骨。箱形龙骨由两道平行设置的水密性侧板与骨材、内外底板等组成。箱形龙骨通常用来对管系进行集中布设，防止管道从货舱直接穿过而影响装卸作业。在机舱前端壁上需设置通往箱形龙骨的人孔，并安装水密装置，以便工作人员进入其中开展检查活动。同时，在箱形龙骨与露天甲板之间也要设置一个应急通道。箱形龙骨的侧板厚度不得小于水密肋板，为确保船舶进坞后底纵桁可以顺利搁置到墩木上，应将两侧板间距控制在2m以下。同时，考虑到横向强度被削弱，对于箱形龙骨部分的船底板、内底板需略微增加厚度，以提高强度。箱形龙骨内可用横向骨架取代肋板，骨架可采用环形架或船底横骨等形式。肋骨和肋板之间可以采取搭接的方式，且搭接长度至少要达到肋骨高度的5/4倍，以确保受力的均匀传递。

4.构件连接

构件连接向来是船舶结构设计的重点，船舶主要构件之间的连接形式有3种：一是设置连接肘板；二是采用整体式端肘板；三是设计成整体型，具体如图2所示。

在具体设计过程中，可利用疲劳强度校核等手段，对各结构节点进行优化改进，确保船体构件尤其是受交变载荷影响的构件具有一定的抗疲劳性，进而提高其使用寿命。船舶货舱部分的船舷一般设计为横骨架式结构，各肋位的端部均做成软趾状，起到分散节点应力的作用，减轻构件所受到的疲劳损伤。在纵向强构件的间断处，应采取相应的过渡处理，确保结构整体的连续性，防止出现应力集中的情况。

结语

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。

参考文献

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