船体结构设计理念及对船舶建造的影响.pdf

第 31 卷 第 6 期2023 年 6 月Vol.31 No.6Jun.,2023船 舶 物 资 与 市 场 MARINE EQUIPMENT/MATERIALS&MARKETING0 引言对于我国的发展而言，造船行业是其中至关重要的一类生产行业，而船体结构设计的水平将会决定船舶和船体的使用效果。所以，优化船体结构设计应当成为船厂、船体设计单位等多方主体关注的重点内容，借助高质量的船体结构设计，使船体质量和船舶的使用效能不断提升。1 船体结构设计要求及内容1.1 船体结构设计要求在实际设计船体结构的过程中，设计人员应当始终遵循以人为本的原则，确保预算合理的同时，生成更具实效性的船体结构设计方案。从本质上来说，船体结构设计的根本目的是为保障船舶使用期间的足够安全，各项性能的运行也可以处于正常的状态，在满足这一要求的前提下，还应当尽可能保证船体的大方、美观。除此之外，在进行船体结构设计工作时，设计人员还需要致力于船体结构稳固性的提升，以结构设计作为着手点，保证船舶航行期间的所有条件和要求均可以被有效满足，且在不良因素或问题出现时，可以对其引发的负面影响进行有效应对。船体结构设计的过程中，还需要确保船舶的动力、承重性能均可以与实际的使用要求相匹配，设计人员需要借助科学的设计方法和精密的计算机，设计出质量上乘的船舶1。出于为船体结构稳定性提供保障的目标，还需要确保所使用的技术形式能够与船舶需求相匹配，选用质量船体结构设计理念及对船舶建造的影响石晓峰（中国船级社实业有限公司 南京分公司，江苏 南京 210000）摘 要：船体结构设计能够对船舶建造和投入使用之后的性能产生直接影响，针对这一问题开展研究具有重要意义。本文首先概述了船体结构设计的要求及内容。其次，分析了船体结构设计的基本流程。再次，研究了船体结构设计对船舶建造产生的多种影响。最后，提出了若干船体结构设计的细节处理方式，旨在促进船体结构设计水平的提升，保障船舶性能。关键词：船体结构；设计理念；船舶建造中图分类号：U663.2 文献标识码：A DOI:10.19727/ki.cbwzysc.2023.06.008引用格式石晓峰.船体结构设计理念及对船舶建造的影响 J.船舶物资与市场,2023,31(6):23-26.合格、恰当的船舶建造材料。因此，在设计过程中，设计人员还需要对实用性这一要素进行充分考虑。举例来说，需要以实际装载需求对船舶的容量和装载量加以合理设计，同时还要在设计的过程中即做好高质量的成本预算控制工作，保证预算规模足够合理。不仅如此，在设计的过程中，一方面需要保证船舶具备足够的实用性，另一方面，还要保证船体本身的舒适度，使得乘客或工作人员可以获得更好的体验。1.2 船体结构设计内容1）初步设计。在对船体进行初步设计时，设计人员需要做好总体规划，对船体结构设计的标准以及要求做到充分明确，完成设计方案的制定，并制作出详细的设计图纸，在图纸之中，还需要将船体结构中每一个部分的内容进行明确标注。与此同时，在初步设计阶段，还需要完成预算方案的建立和预算报告的撰写，对船舶后续实际建造期间所需的各种材料、材料价格等各项花销和成本支出进行细致地估算，尽可能明确成本投入规模。2）详细设计。在对船体结构进行详细设计时，最主要的工作内容即为对初步设计阶段中的各项细节加以合理的调整和优化，从而将船体结构中存在的每一个构件的具体型号和所使用的船舶建造材料进行确定，最终生成系统化的设计方案。3）生产设计。在对船体结构进行生产设计时，应当对实际生产环节中需要满足的多项需求加以明确，确保生产顺利进行，且参与船舶生产的工作人员能够明确设计方案中的各项内容。总体而言，在进行生产设计时，收稿日期：2023-03-13作者简介：石晓峰（1983-），男，本科，工程师，研究方向为船舶与海洋工程。船舶物资与市场第 31 卷 第 6 期 24 需要将其与设计方案和施工图纸进行有机结合。2 船体结构设计流程分析2.1 制图环节当设计人员开展设计工作时，在设计阶段，提供船体结构的整体剖面图和结构设计图应当作为一项必须的工作2。设计人员应当凭借自身丰富的设计经验和扎实的专业知识基础，对船体内有关零部件、零部件的连接方式以及船体结构的设计尺寸等多项内容进行严格控制。同时，还需要以实际的使用需求作为依据，完成合理化且符合实际情况的规划设计方案的制定，提升方案的可操作性和科学性。除此之外，为了预防一些不良情况的发生，或者是避免现存的设计方案出现问题，设计人员还应当针对已经制定的计划方案预留出一组优化设计方案或改善方案，保证生产工作的顺利进行。这种做法的主要目的在于能够以船舶建造工程的具体情况作为基准，落实相应的改善方案，从而实现建设成本投入规模和建设周期的有效缩减。船体结构设计制图阶段所生成的设计图纸是后续工作整体进行的支撑，可谓是设计工作中的核心环节，基于此，相关人员需要保证这项工作落实的细致性。具体而言，在设计图纸之上，施工人员应当将船舶中不同的部位所使用的具体焊接方法、各种零部件的尺寸编号、船体结构中相关内容的实际尺寸在设计图纸之中进行详细标注。设计人员在设计上述内容期间，可以通过现阶段存在的建模与设计系统完成。例如法国达索公司所开发的一款设计系统Catia v5r21，这一设计系统能够为建筑、厂房设计、船舶制造、航空航天以及汽车等八大领域，提供 3D 设计和模拟解决方案，具备强大功能。基于此，设计人员在制图环节，可以在这一软件的支撑下，优化设计效果。在 Catia v5r21 之中，存在包含SR1、SDD、SFD 在内的三大船体结构设计模块，其中，SDD、SFD 可以实现船体结构的 3D 设计模式，通过这 2个模块，基本可以完成所有船体结构零件的构建。设计人员可以在 SDD 模块之中完成一些小构件的建立，例如补板、型材贯穿孔以及肘板等，在 SFD 模块之中，可以完成一些大构件的建立，例如骨材、舷侧纵桁、肋骨、纵骨、舱壁以及甲板等。当完成所有构件的建立之后，需要将其一次性转移到 SR1 模块之中，借助该模块，能够将板存在的干涉部分进行自动去除，从而保证零件形状的正确性。2.2 辅助设计环节由于船舶本身的用途存在一定的特殊性，因此，在对船体进行建造时，应当切实达成精准化和标准化的目标，同时严格控制其中存在的每一个细节。在此之中，即涉及辅助设计的落实。这一环节涵盖的内容主要有安装脚手架、安装永久环以及强化阶段。所以，在具体安装期间，保障所使用的安装方法最优化和确定的安装位置正确化是最为关键的内容3。除此之外，在确定最优安装方法和正确安装位置时，需要以船体本身的条件和实际情况作为基准，切忌出现设计人员凭借主观意愿选择的情况产生。之所以需要结合具体情况，原因在于需要为整个船体的操作效率和安全性能提供保障。在辅助设计环节，还可以视实际情况，对工序进行恰当的二次分割，将二次作业情况出现的概率加以有效降低，实现施工时间的有效节约，为后续开展的工作预留出更加充足的时间，从而有效保障船舶建造项目的落实。2.3 前期准备环节在前期准备阶段，一般不存在复杂程度较高的要求，这一环节的主要作用即为下一步开展的船舶建造工作做好准备工作。基于这一前提，需要对差异化船型准备工作中存在的不同点进行充分考虑，避免千篇一律、一概而论情况的出现。同时，出于为各项准备工作有序落实提供保障的目标，还应当遵循分层、分阶段落实的原则。2.4 建设管理环节当实际开展船舶建造工作的过程中，这一环节需要落实有效的管理工作，而对于管理工作而言，船舶建造现场的具体状况是起终点。在实际建造期间，相关主体应当按照具体情况，提供验证单、修改单以及工艺单等，同时将所发出的所有相关文件汇编成一套系统的文件管理体系，提升这项工作的综合性。在船舶结构制造期间，需要实时整合有关的流程，同时对设计流程进行持续优化，将设计期间存在的问题进行改善和解决。3 船体结构设计理念及对船舶建造的具体影响设计人员做生成的船体结构设计方案和自身所秉持的设计理念将会为后续实际开展的船舶建造工作产生较为直接的影响，原因在于船舶建造工作基本需要以设计方案和设计图纸作为基础，从而保证工作的顺利进行。而设计方案和设计图纸则是蕴含设计人员设计理念的主要载体，因此，设计人员自身的理念是否正确，将会对船舶建造效果带来相应的影响。3.1 船体结构设计步骤在船体结构设计时，一般需要经历 3 个步骤：1）当设计单位接收到船东的询价或设计任务书时，即需要针对船舶的整体性能、各个系统的原理、关键装置、主要第 6 期 25 技术指标等多项内容开展设计工作，这一步骤属于技术洽谈和设计计算的阶段。2）以造船合同为基准所确认的修改意见书和技术文件作为基准，完成关键部位图纸和实际的技术专业项目设计计算工作。3）立足于船舶建造的角度，将如何合理组织船舶建造生产、如何建造船舶等多项问题进行有效解决。值得一提的是，设计人员在船体结构设计的每一个环节，均需要同船厂以及船东开展深入地协调与沟通，并把控设计进程。3.2 经济性理念在船体结构设计环节，设计人员通常需要对经济问题进行充分关注，保证在完成规定的船舶设计和建造过程之后，资金的耗费和积累状况能够满足前期的规划，这也是船体结构设计经济性理念的内核所在。在对船舶设计和建造期间的成本进行控制时，需要对构件的使用情况、腐蚀余量、维修情况以及船体结构本身的强度等多项内容加以有效考虑，对整体工作中需要投入资金的部分进行全方位考量，这可以促使船舶的经济性能更加良好。3.3 美观性理念船舶本身的稳固性能是设计环节需要把控的重点，但在保证稳固性的同时，也要对船舶的美观性进行充分考量，这也要求设计人员在设计环节中，需要秉持美观性的设计原则。一般来说，美观性这一设计理念在船舶中应用时主要体现在 2 个层面，分别是船舶内部装潢和船体的外观造型。船舶内部装潢的美观性和内部空间布局的合理性将会赋予使用者更好的体验，优化船舶的适用性；船体的外观造型是否美观将会对人们的观感和印象产生直接影响。因此，美观性的设计理念将会使得最终建造出的船舶更加美观、更加新颖，在人们获得视觉享受的同时，可以获得更加舒适的体验4。3.4 工艺性理念从内涵的角度出发，船体结构设计中的工艺性理念指的主要是设计出的结构形式、各部分与零部件的连接方式均需要为后续的船舶建造提供相应的便利，从而提升劳动生产率。在对船体结构建造期间的材料类型进行选择时，尽量减少材料规格的类型，这为船舶建造工作进行过程中的备料和材料采购工作带来便利。除此之外，设计人员在对船舶建造的原则方案进行制定时，还应当依托于现代化的工艺措施，并与船厂的生产组织管理特点、设备情况等要素作为依据，有效降低船舶建造成本。3.5 整体性理念在船舶建造期间，保证通风、电气、轮机和船舶性能等多项内容之间的紧密配合是一项至关重要的工作，在落实这一目标的过程中，需要依托船体结构设计理念，真正实现船舶各个部分之间的相互协调，促使最终建造出的船舶在各个方面均具备优良的工作性能。3.6 使用性理念优化船舶的使用性应当纳入船体结构设计理念之中，在落实使用性管理理念的过程中，应当确保所选用的船体中各个构件的尺寸和结构的布置方式均可以与船舶自身的营运要求相匹配，针对船舶使用性相关的各类因素，设计人员应当做到充分明确，同时通过恰当的技术手段，促使船舶具备可观的使用性。3.7 安全性理念在船舶建造的过程中，保证船舶本身的安全性是一项基本且重要的质量指标。在船体结构设计的过程中，需要保证当船舶在面对多种外力作用下，其本身依旧具备相应的强度、刚度以及稳定性。且在外力作用下各类构件也可以保持足够的强度，防治此类要素失稳导致船体结构损坏。除此之外，设计人员在设计阶段还需要对船舶结构的防振性能进行充分考虑，确保当船舶受到激振力的影响时，不会出现较大幅度的振动，保障船舶的安全性5。总体而言，对于船舶建造的质量、成本、建造周期来说，能够对其产生直接影响的要素即为船体结构设计水平的高低。基于这种情况，参与船体结构设计的各个工作人员应当以客户的实际需求作为依据，在将船舶建造规范进行有效满足的基础上，对船舶建造的经济性、美观性、工艺性、整体性、使用性以及安全性进行综合考量，这不仅是优化船舶建造性能的关键所在，同时也应当作为船体结构设计的基本理念。4 船体结构设计中的细节处理方式4.1 前期设计环节当正式落实船体结构设计细节处理工作之前，设计人员还应当在前期规划水平提升中投入更多的力量，同时以设计准则和要求作为基准，对基本的设计任务进行确定。此外，还需要完成用度预算计划和预算总结的制定，确定船舶建造期间各类零部件和材料的规格，为实际开展结构方式和构件尺寸设计环节奠定基础。4.2 分段接口合理化设计船体分段接口是船体结构设计中的一个重点环节，需要对这项内容的优化处理高度重视。首先，需要为船体分段装配工作实施的便利性提供保障。在对分段接口进行改良时，可以采取在船体断开节点位置添加面板的形式，将以往分段设计中的 P 型分段转变为 R 型分段，以石晓峰：船体结构设计理念及对船舶建造的影响船舶物资与市场第 31 卷 第 6 期 26 此达成分段装配简化的目标6。一方面，可以使得焊接效率有效提升，另一方面，还能够将船体安全性进行进一步优化。其次，将舾装船台工作规模进行有效降低。通常来说，船舶的舱体区域能够被划分为上平台、下平台以及舱体双层底等若干分段。在对双层底分段外板进行安装时，应当保证其高度超出双层底，超出高度大致为 1015 cm，降低工作量，缩短工作时间。4.3 优化通焊孔设计为了满足船舶的使用需求，在开展船体结构设计细节处理工作时，还需要注重通焊孔设计的优化。在实现这一目的的过程中，设计人员需要充分结合实际情况，对通焊孔的半径与切角进行有效设计。一般来说，对于船体中存在的高应力区域，出于对应力要求进行有效满足的目的，通常会借助增加垫板或补板的形式，不过应当注意的是，当增加的补板过多时，将会导致工作量的增加，并加大工作难度，影响船体结构设计的合理性。为此，在初期设计阶段，需要确保通焊孔的设计形式可以与实际的规格标准和要求相适应，降低了工作难度。4.4 结构过梁孔补板设计在船体结构设计期间，结构过梁孔补板问题时常被忽略。当船体形式不同时，相应的要求也会存在一定的差异，客户通常会结合自身需求，提出个性化要求，当设计工作实际进行时，设计人员通常会选择标准规则完成设计工作，忽视了结构过梁孔补板问题。为了对这一细节进行有效处理，设计人员可以将原本的结构过梁孔转变为镶嵌式切口，这既可以实现舱体内管系布置空间的扩大，同时还能够将结构过梁孔数量进行有效减少，解决原本存在的布置矛盾问题。4.5 优化断梁问题处理效果在对船体结构建造细节进行处理时，断梁问题的优化处理是其中的一项重要内容。在此期间，设计人员应当将分段定位作为考虑的首要内容，接上断梁部位的处理点。在此期间，可以采取搭接的形式，将梁上下两端的肘板与扶墙材之间进行连接，节约船台装配时间7。4.6 科学设置底部冲击板科学设置底部冲击板是船体结构设计细节处理中的一个必要环节，在此期间，需要保证所安装的舱底板就位之后，才可以安装测深垫板。因为舱底板本身可以划分到外底板的范畴中，且外底板本身具备相应的线型，从而导致测深垫板的安装需要在安装测深管之后才可以进行，这会使得船舶整体的建造难度增加。基于这种情况，可以将测深垫板提前安装到测深管底部，并通过在测深管底部开设长孔的形式，满足测深需求。5 结语船体结构设计理念对船舶建造产生的影响体现在多个层面，设计人员需要在设计环节遵循合理的设计流程和步骤，同时采取可行的设计方法与辅助工具，切实优化船体结构设计的质量。与此同时，还要注重各项细节内容的把控，依托于细节部分的控制和优化，提升整体的结构设计水平。船体结构设计人员需要明确自身工作定位，并将用户需求作为工作的中心，完善设计理念，切实推进船舶制造行业的健康、长久发展。参考文献：1 张祥.船体结构设计及建造中的细节处理 J.船舶物资与市场,2020(5):3-4.2 蔡秋艳.基于云边协同的船舶建造关键工艺设备状态监测方法及系统开发 D.镇江:江苏科技大学,2022.3郭华.浅谈船体结构生产设计理念J.船舶物资与市场,2022,30(5):18-20.4 王成伟.船体结构生产设计理念相关分析 J.科技创新与应用,2020(18):99-100.5 高金明.船体结构生产设计理念相关分析 J.船舶物资与市场,2021,29(8):71-72.6 鲁德智,冯建,高攀.船舶建造影响吊装效率的因素分析及精度控制 C/中国造船工程学会造船工艺学术委员会.2022 年度船舶先进制造工艺技术学术交流会论文集,2022:351-360.7 朱小敏,王炬成,周红.基于 WBS 的船舶建造标准工时数据挖掘方法研究 J.江苏船舶,2022,39(3):41-43.