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摘要：在船舶设计行业中，技术工程师往往需要通过多样性的设计探究，开展复杂的船体结构优化，才能够完成船体结构设计创新工作。从船体结构设计工艺优化的角度来看，使用分层设计的方法，有利于提高船舶设计的针对性。
关键词：船体结构；设计；船体性能；优化
前言：
在基于安全的情况下，如何快速设计出优秀的船体结构并且实现快速修改，是船舶设计师梦寐以求的目标，针对这个目标的制定，设计师们提出了船体结构的快速设计方案，将知识工程原理和参数化技术相结合，对船体结构的设计做出了研究和分析。
一、结构设计的要求
船体结构设计要以使用性能为参考，在保证安全性能的前提下，进一步美化外观。船只的安全航行是一切利益的保证，船体的稳固是设计的核心理念，结构建构要符合力学原理，参考实际的航海条件，充分考虑天气、水文因素的影响，能够应对出航线路中的极端天气，结构承重性要有保证，外形设计也要配合航行的动力要求，设计船体时要综合多方面经验，合理构建、计算，科学设计。
1）结构稳定的进一步要求是建造技术水平要配合设计要求。建造时要充分考虑设计参考材料的性能，例如，板材的使用要能适应船体设计的弯曲度，过厚或者过薄都不能实现设计预期。不能为节约成本而以次充好影响质量。
2）实用性是设计角度必须纳入参考体系的问题，船体、船舱、甲板等设计要根据实际的装载要求合理设计，既能容纳预计的人员或货物，同时也要考虑安全舒适度。
3)船体设计时考虑的关键因素是预算和使用，从安全性能角度，实用性是基本要求；从后期投入使用后的成本结算角度，设计师要根据预算做出相应的技术调整，寻找安全和利益的最佳结合点，以经济的设计原则减少不必要的材料浪费，选择高科技的轻便、安全材料。
二、结构设计中的基本内容
设计船体的基本工作包括：确定初步的结构方法、按照预算和设计要求提供使用材料的型号报告、上报船体合成技术。基本的设计理念是实用性和经济性，采用承重性好的板材，同时要考虑其重量的限制条件，可以考虑采用轻便节约的新型的合成板材。基本的设计步骤按照规划过程可分为基本的设计、细节的规划和生产技术要求，分阶段实现设计。
2.1初步设计
初步的规划是根据技术标准和设计要求对设计任务进行框架性的建构，建立基本的图纸预想稿，根据预案和设计技术要求对材料、部件的型号和用度建立预算方案并形成预算报告，对船体的大小、结构方式进行设计。
2.2详细设计
前期的设计是框架性的大体预想，细节的设计要依照相关的审批意见作出调整，充分考虑到建造过程细节，再次确定各构件的型号、材质，形成符合设计要求的较为系统的设计方案，绘图后连和设计方案阐释交由审批部门。
2.3生产设计
即生产要求、材料使用注意事项、施工详细说明图配合的设计方案。
船体结构设计图
三、结构设计的过程
1）船体结构在设计之初是分体分段的细致设计，有多重部件组合而成，一体化的设计在目前的技术水平限制下很难实现预想，并且容易出现局部的设计缺陷。分结构的设计虽然要考虑组合、连接的实际问题，但易于设计和建造，小规模的设计、生产、检验更容易实施。船体分段设计时是将结构分解为有机联系的几部分，根据实际的首、尾或者上、下的结构进行拆分，分组设计建构，同时要考虑到组合后的一体性，在设计分组拆分时要做好统筹工作，考虑到后期组装工作的各个细节。
2）船体的负荷性能与船体的构造、材料、重量的内部性能有关，同时还受到海上条件的负面影响。而船体自身的质量是关键的因素，在设计规划中船体结构需要进一步的衔接、加工，其质量、结构也是动态变化的过程，载荷能力的测算是过程性的计算，需要通过系统的信息整合实现最终的承重估计，并且要充分考虑到航行条件的限制。
四、船体结构形式的优化
4.1采用先进设计工艺对船体结构进行分层优化
1）船体结构生产人员，还需要对轮船的主尺度、静水力性能、船舶参数和螺旋桨敞水性能进行控制优化，严格生产环节中的船只性能测试，发现不良问题应该及时采取生产维修措施。根据船底板、内底板、三层甲板、二层甲板到主甲板区域的设计顺序，对船体结构进行设计。2）用双层船体结构，不仅可以显著提高船体结构的稳定性，还能够使用双层底部储存更多的油料。船体设计一般都是由多根较差构件和很多主向梁组成的板架，对于横骨架式的板架结构，使用主向梁（实肋板）作为肋板间距范围内的承重材料。保证船体架构的较差构架只需要承受节点反力。对于纵骨架式板架设计来说，可以通过提高底部结构的载荷效果的方法，利用纵骨传给实肋板，保证交叉构建也只需要承受节点反力。
4.2船体结构形式的优化设计
1）船体尺寸的优化设计
尺寸优化是用来修改船体内部各单元之间的基本属性，例如厚度和横截面以及刚度等。某些结构单元的个属性之间可能彼此相关联，例如惯性距、梁的更界面和截面几何等。因此在优化过程中各单元的属性并不一定作为设计变量来进行计算。对船体结构设计分析的问题大多数都将问题归纳与对船体尺寸的设计中，船体结构游蛇设计中尺寸是十分重要的组成部分。例如利用商业软件来对小水线面的双体船结构进行尺寸优化，或者在船体坐墩墩上布局进行尺寸优化，利用分级优化的分式来进行计算。
2）船体形状的优化设计
结构形状的优化设计是通过选择描述边界形状的若干参数来作为设计变量，通过特殊的方式来改变这些参数值使其能够确定其本身的形态结构来完成的。在船体的结构设计中，部分部件的边界位置容易因为承受载荷而产生应力集中造成疲劳或者断裂破坏的，造成船体结构的损伤，所以在船体结构的优化设计要通过寻求良好的边界形状来改变应力的分布。
4.3船体结构的设计方法
1）确定性设计法
船体结构的确定性设计法又可以分为两类，第一类是规范设计法，即根据船体主尺度和结构形式，以及各种营运和施工要求，按照船级社制定的船体建造规范的相关规定来决定构件的布置和尺度的，最后再进行总强度和局部强度的审查，同时还要对结构的稳定性和安全性进行检查，一旦发生任何不足植株，则在原设计方案上进行修改之后在进行局部的加强，指导达到相应的目标。第二类是直接计算法，直接计算法是根据船型和构件布置的不同，来通过规范不可能罗列的全部特征来进行设计的，所以要求设计师具有结构力学的知识，可以按照各种构件和受力情况，直接进行强度的计算。使得船体结构本身就具备良好的力学合理性，而且可以预先选择目标函数，进行优化设计。
2）结构可靠性分析法
在船体结构强度的确定性设计方式中，将有关参数都设置为定值。所采用的安全系数都表现为强度的储备，使得人们对结构已经产生了固定的印象，认为结构是绝对安全不会被破坏的，然后，所有船体结构不论哪种船型或者结构形式，都是通过空间的板梁组合结构来完成的，这样的话，当船体结构中的一个构件失去效果之后，内力重新分配。整个结构还能继续工作，只有当相当数量的构建都失效之后，整个构建才会失去效果。这就促使人们去研究船体中某些构件结构被破坏的原因，和损坏后对船体的影响，这样才能形成某种采用概率法对结构进行可靠性的分析和计算。
五、船舶操纵运动性能分析
5.1旋回性能
旋回性是指定速直航的船舶操某一大的舵角后进入定常旋回的运动性能。旋回性是船舶性当中极其重要的一种性能。
5.2船舶减速性能
船舶以一定常速度（全速或半速）行驶中采取停车措施后，直至降到某一余速（2kn~4kn）前的变速运动称为船舶停车变速运动。主机停车后，推力急剧下降到零。开始时，船速较高，阻力也大，速降很快；但当速度减小后，阻力也随之减小，速降越来越慢，船很难完全停止下来，且在水中亦很难判断。所以，通常以船速降至维持舵效的最小速度作为计算所需时间和船舶航进路程的标准。
5.3船舶启动性能
船舶在静止状态中开进车，直至达到与主机输出功率相应的稳定船速前的变速运动，称为船舶起动变速运动。在起动变速过程中，螺旋桨推力T与船舶阻力R之差，是船舶产生加速运动的动因。由于启动后推力增加较快，而船速增加则较为缓慢，因此要注意合理用车。即分段逐级加车，待达到相应转速的船速时，再提高用车的级别，以免主机超负荷工作。
5.4倒车制动性能
船舶在全速前进中开后退三，从发令开始至船舶对水停止移动所需的时间和航进的路程，以及相应的偏航量和偏航角，统称为倒车制动性能。倒车冲程又称为紧急停船距离或最短停船距离。全速前进的船舶在进行紧急制动时，为不致造成主机转动部件出现应力过大的情况，在关闭主机油门后，通常要等航速降至全速的60%~70%，转速降至额定转速的25%~35%时，方可将压缩空气持续充入汽缸使主机停转，然后进行反动。
结束语
船体结构设计主要是在满足船舶总体性和船舶本身的功能性的前提下，通过结构设计使得船舶在试用期间满足稳定性和刚度、强度的要求，船舶设计的内容决定了其设计任务的繁重程度。目前各国的船舶业之间的竞争十分激烈，世界各国船舶业的生产技术正朝着机械化、自动化和集成化的方向发展。提高船舶结构设计的要求已经成为船舶业十分重要的问题。
参考文献：
[1]夏利娟.大型浮吊船体的结构设计.2015.3
[2]赵党.大型浮吊船体结构强度和动力学特性研究.2010.6
[3]谢永和.船体舱段优化设计.2005.9
论文作者:黄家浩
论文发表刊物:《基层建设》2017年第35期
论文发表时间:2018/5/15
标签：船体论文; 结构论文; 船舶论文; 性能论文; 结构设计论文; 船速论文; 构件论文; 《基层建设》2017年第35期论文;