船体结构形式要点分析及优化设计.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 引言发展市场经济，给航运事业发展带来良好空间，水路运输因其载重量较大，货运成本比较低，已成为现代货运运输特别是国家贸易中的一种重要货运形式。随着科学技术的不断提高，人们将目光逐渐转移到了新型技术上，以保证现代的船舶能够满足现代化社会的需求，同时使其更加安全高效地完成货物运输任务。而要做到这一点，必须从船舶结构设计着手，基于现代船舶发展趋势和海洋工程视角，加大船体结构设计研究力度，通过对船体结构设计进行改进，加强船舶航运能力建设以及航行稳定性，对进一步提高我国航运能力具有重要意义，推动航运事业的发展，和市场经济文定发展，有着十分重要的意义，需引起该领域人士关注。并且，随着人类社会的发展，船舶和海洋工程越来越成为关注的热点。船舶与海洋工程作为现代经济和国防建设的重要组成部分，其发展对国家的繁荣和稳定具有重要意义。船体结构作为船舶和海洋工程的重要组成部分，其设计的质量和可靠性直接影响着船舶和海洋工程的安全性、经济性和可靠性。因此，对船体结构设计的研究具有重要的理论和实际意义。1 船舶与海洋工程船体结构设计理念船舶与海洋工程船体结构设计理念是在确保船体结构强度、稳定性和安全的前提下，实现船舶和海洋工程船体结构形式要点分析及优化设计熊永亮，张 磊（南通中远海运船务工程有限公司，江苏 南通 226006）摘 要：船体结构设计是船舶与海洋工程中重要的一环，影响着船舶的安全性、经济性和可靠性。本文对船体结构设计的研究进行了探讨，包括设计的基本原则、常用的结构形式、结构的优化设计等方面。通过对船体结构的研究，为船舶工程的发展提供了参考。此外，随着科学技术的不断发展和应用，船体结构设计也在不断进行创新和改进。例如，使用先进的材料和制造技术，采用新型的结构形式和设计方法等，可以进一步提高船体结构的性能和效益，满足不同的航行需求和海洋工程的要求。关键词：船舶工程；海洋工程；船体结构设计；优化设计中图分类号：U661 文献标识码：A DOI:10.19727/ki.cbwzysc.2023.06.009引用格式熊永亮,张磊.船体结构形式要点分析及优化设计 J.船舶物资与市场,2023,31(6):27-29.性能优化和经济效益的最大化。在设计过程中，需要综合考虑船舶或海洋工程的用途、使用环境和运行要求，根据不同的需求选择合适的结构形式和材料，并通过结构优化设计进一步提高结构的性能1。1）船舶与海洋工程的用途和使用环境是船体结构设计的重要考虑因素。船舶的用途包括客运、货运、渔业、海军等不同领域，使用环境包括船舶所处的海洋气候条件、航行路线和作业任务等。在船舶的结构设计中，需要考虑船舶的载重量、稳定性、航速和燃油消耗等因素，以保证船舶的运行性能和经济效益。在海洋工程的结构设计中，需要考虑海洋环境的复杂性和变化性，选择适合的结构形式和材料，以保证工程的安全性和稳定性。2）船体结构设计需要综合考虑结构的性能和成本。在结构设计中，需要考虑结构的强度、稳定性和防护性能等因素，以保证结构的可靠性和安全性。同时，还需要考虑材料和制造成本等因素，以实现结构的经济效益。在设计过程中，设计师需要在结构性能和成本之间进行平衡，以实现结构的优化设计和经济效益的最大化。3）结构优化设计是船体结构设计的重要环节。结构优化设计的目的是通过调整结构的几何形状、尺寸和材料等方面的参数，以达到优化结构的重量、强度和稳定性等方面的性能。在优化设计中，设计师需要根据航行环境和使用条件选择合适的优化方法和工具，并对结构进行数学建模、计算分析和验证评估等步骤，以保证优化后结构的性能和可靠性。收稿日期：2023-03-15作者简介：熊永亮（1985-），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 28 总之，船舶与海洋工程船体结构设计的理念是在结构强度、稳定性和安全的基础上，实现船舶和海洋工程性能优化和经济效益的最大化2。2 船舶与海洋工程船体结构设计的基本原则船体结构设计的基本原则是在满足船舶设计要求的前提下，力求船体的轻量化、刚度和强度的平衡，以及降低船体的阻力和振动。在实际设计过程中，应该注意以下方面：1）考虑载荷的特点，合理布置船体结构的位置和形式，使其能够承受正常运行时的载荷，同时尽量减少结构的自重。2）在设计过程中，应该考虑船体的刚度和强度的平衡，以充分发挥船体的性能。3）尽量减少船体的阻力和振动，以提高船体的速度和航行稳定性。4）考虑船舶的航行环境和使用条件，以充分发挥船体结构的优势，同时满足航行的安全性和可靠性要求。3 船舶与海洋工程船体结构设计的基本内容船舶与海洋工程船体结构设计的基本内容涵盖了结构形式设计、材料选择、结构布局设计、结构计算分析、结构优化设计以及结构制造与检验等方面，这些内容相互关联、相互作用，是船体结构设计的基础和核心。在实际的船舶与海洋工程设计中，需要根据具体的使用环境和技术要求，进行综合考虑和优化设计，以满足结构强度、稳定性、疲劳性、经济性和环保性等方面的要求。船舶与海洋工程船体结构设计是船舶与海洋工程领域的核心技术之一，其基本内容包括以下方面：1）结构形式设计：在结构形式设计中，需要根据船舶或海洋工程的用途和使用环境，选择合适的结构形式，包括单壳体、双壳体、多壳体、悬挂式、支撑式等。同时还需要考虑结构的安全性、航行性能和经济性等方面的因素。2）材料选择：在材料选择中，需要考虑材料的强度、密度、耐腐蚀性、焊接性、加工性和成本等方面的因素。常用的材料包括钢、铝、复合材料等。选择合适的材料对船体结构的强度和耐久性至关重要。3）结构布局设计：在结构布局设计中，需要考虑结构的布置方式、结构件的尺寸和数量、结构连接方式等因素。合理的结构布局设计可以提高结构的强度和稳定性。4）结构计算分析：在结构计算分析中，需要进行数学建模、计算模拟和验证评估等步骤。通过结构计算分析，可以确定结构的强度、稳定性、疲劳性和振动性等方面的性能，以保证结构的安全和可靠性3。5）结构优化设计：在结构优化设计中，需要根据结构计算分析结果，对结构的几何形状、材料、结构布局等方面的参数进行调整和优化，以达到结构重量、强度、稳定性和经济性等方面的优化目标。6）结构制造与检验：在结构制造中，需要选择合适的制造工艺和设备，确保结构的加工质量和精度。在结构检验中，需要进行结构的无损检测、试验验证等步骤，以保证结构的质量和安全性。此外，船舶与海洋工程船体结构设计需要不断地更新和创新，以适应新的技术和市场需求。同时，需要注重结构的可靠性和安全性，保证船舶与海洋工程的正常运行和发展。4 船舶与海洋工程船体结构形式船体结构的形式通常分为单体式、组合式和混合式3种。其中，单体式结构最简单，适用于小型船舶，而组合式和混合式结构则适用于大型船舶。具体来说，组合式结构是将多个单体式结构组合而成的，而混合式结构则是将单体式结构和组合式结构相结合的一种结构形式。此外，根据不同的航行需求和使用环境，船体结构可以分为以下几种：1）普通船体结构：这种结构形式适用于一般船舶，具有结构简单、制造成本低等优点。2）双体船体结构：双体船体结构是指船体分为 2 个部分，2 个部分之间相互隔离，具有较好的稳定性和防沉性能。3）多体船体结构：多体船体结构是指船体分为多个部分，这种结构形式适用于大型船舶和特殊的海洋工程。4）半潜式船体结构：半潜式船体结构是指船体的一部分位于水面以下，具有较好的抗风浪性能。5）深海工程船体结构：深海工程船体结构适用于深海勘探和开发，具有结构强度高、抗风浪性能好等特点。5 船舶与海洋工程船体结构优化设计5.1 确定设计目标和要求设计前需要明确设计的目标和要求。设计目标包括船体结构的强度、刚度、稳定性、耐用性和水动力性能等，而设计要求则包括船体的尺寸、载荷、使用环境和经济性等。这些设计目标和要求将成为船体结构优化设计的基础，也将决定后续的设计方案和优化方法4。5.2 建立结构数学模型在确定设计目标和要求之后，需要建立船体结构的数学模型，包括结构的几何形状、材料性质和荷载条件等。第 6 期 29 建立结构数学模型的目的是为了方便分析和计算船体结构的强度、刚度、疲劳寿命等指标。5.3 进行结构分析在建立结构数学模型之后，需要进行结构分析，计算出结构的强度、刚度、疲劳寿命等指标。结构分析通常包括有限元分析、流体动力学分析、疲劳分析等。分析结果可以帮助设计师了解船体结构的弱点和优势，为后续的优化设计提供指导。5.4 敏感性分析在完成结构分析之后，需要进行敏感性分析，确定结构各参数对指标的影响程度。敏感性分析可以帮助设计师了解结构各参数的优劣，找出可能的设计方案和优化方向。5.5 结构优化设计在完成敏感性分析之后，需要通过优化算法，寻求结构设计的最优方案。常见的优化算法包括遗传算法、粒子群算法、模拟退火算法等。优化设计的目标是在保证结构强度和稳定性的前提下，减轻结构重量和降低制造成本。5.6 对比优化方案在完成结构优化设计之后，需要对比优化方案，选择最优方案，并进行验证和修正。对比优化方案时，需要综合考虑结构强度、刚度、稳定性、耐用性、水动力性能和制造成本等因素，选出最优方案。5.7 制定实施方案在确定最优方案之后，需要制定实施方案，包括具体的设计参数、制造工艺和检验标准等。实施方案应该考虑到实际制造的可行性和经济性，以确保最优方案的实现。5.8 验证和调整在实施方案之后，需要进行验证和调整。验证的方式包括试验和模拟计算，试验可以检测出结构的强度和稳定性，而模拟计算可以评估结构的水动力性能和疲劳寿命。如果验证结果与预期目标不符，需要进行调整和优化，直到达到设计要求。5.9 评估和改进在完成结构优化设计后，需要对整个流程进行评估和改进。评估可以从设计目标的实现程度、制造成本、设计时间和效率等方面进行，找出不足和改进方向。改进的方式包括优化算法的改进、设计流程的优化和技术手段的引进等5。在实际应用中，船体结构优化设计通常涉及到以下方面：1）材料优化设计。通过选择优良的结构材料，如高强度钢、复合材料等，以减轻结构重量，提高结构强度和刚度。2）形状优化设计。通过对结构几何形状进行调整，如减少角部分布、调整底板坡度等，以改善结构水动力性能和减小阻力，提高速度和耗能效率。3）结构布局优化设计。通过调整结构各部位的布局，如减少重心高度、降低重心位置、调整船首和船尾形状等，以提高结构稳定性和减小结构变形。4）结构连接优化设计。通过改善结构连接方式，如采用新型连接件、优化连接结构等，以提高结构连接强度和减小连接重量。船舶与海洋工程船体结构设计的结构优化设计是船体结构设计中的重要环节，可以大幅度提高结构强度和稳定性，并减轻结构重量和降低制造成本。6 结语船体结构设计是船舶和海洋工程中不可或缺的一部分，其质量和可靠性直接关系到船舶和海洋工程的安全和经济效益。在设计过程中，应该遵循基本原则，根据航行环境和使用条件选择合适的结构形式，通过结构优化设计进一步提高结构的性能。同时，在设计过程中需要考虑到材料的选择、结构的布局和尺寸、制造工艺和施工要求等方面的问题，以保证结构的质量和可靠性。船体结构设计是船舶和海洋工程中至关重要的一环，需要充分考虑到船体结构的性能、质量、可靠性和经济性等方面的因素，以保证船舶和海洋工程的安全和经济效益。随着科学技术的不断发展和应用，船体结构设计也将不断进行创新和改进，以满足不同的航行需求和海洋工程的要求。参考文献：1 乔东旭,李成垒,周涛涛,等.船体结构设计中生产工艺性问题及解决措施 J.船舶物资与市场,2022,30(11):47-49.2 邱伟强,高晓磊,叶红盛,等.从设计角度浅谈船体结构建造成本控制 J.船舶与海洋工程,2022,38(3):1-8.3 姜丽雁,张东,唐凯,等.基于大数据的船体结构制造品质分析 J.船舶与海洋工程,2022,38(2):70-74.4 李强,王晋,程展,等.三立柱高效半潜式生产储油平台船体结构设计 J.舰船科学技术,2022,44(2):135-139.5 郭斌.自升式风电安装船主船体结构设计与强度分析研究D.烟台:烟台大学,2021.熊永亮，等：船体结构形式要点分析及优化设计