邱偉強(qiáng)，高曉磊，葉紅盛，燕家樂(lè)，袁海通

（1.中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院，上海 200011；2.中國(guó)人民解放軍91412 部隊(duì)，廣東湛江 524000）

0 引 言

近年來(lái)，船舶的大型化趨勢(shì)越來(lái)越明顯。船舶大型化之后形成的規(guī)模效應(yīng)在給船東和船廠(chǎng)帶來(lái)更多經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，使得船體建造的難度和工作量越來(lái)越大，船廠(chǎng)的船舶建造成本激增。中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司在2018 年的管理提升專(zhuān)項(xiàng)行動(dòng)啟動(dòng)會(huì)上指出，各成員單位必須狠抓成本管控，增強(qiáng)成本管控意識(shí)，豐富成本管控手段，提高成本管控的執(zhí)行力，努力實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益提升。

對(duì)于某些大型運(yùn)輸船而言，由于其船體結(jié)構(gòu)的物量較多、構(gòu)型較復(fù)雜，船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與建造成本控制是船舶建造整體成本控制中的重要一環(huán)，僅船體的鋼材采購(gòu)和建造成本就可能超過(guò)船舶建造總成本的30%。影響船體結(jié)構(gòu)建造成本控制的一個(gè)關(guān)鍵因素是船體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。一個(gè)優(yōu)秀的船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師需具有很高的綜合素質(zhì)，應(yīng)具備統(tǒng)籌全局的能力和“成本控制”意識(shí)，在完成設(shè)計(jì)指標(biāo)的同時(shí)，盡量減少設(shè)計(jì)和建造成本。船體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)考慮的因素不僅包括空船結(jié)構(gòu)重量控制，而且包括船廠(chǎng)管理成本和工藝成本控制，這是一個(gè)綜合管控的過(guò)程。

1 從設(shè)計(jì)的角度控制結(jié)構(gòu)材料成本

首先要考慮“用什么”的問(wèn)題，也即，對(duì)船舶結(jié)構(gòu)的材料進(jìn)行成本控制。在初步設(shè)計(jì)階段，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師應(yīng)根據(jù)總體布置圖、設(shè)計(jì)規(guī)格書(shū)和以往積累的船體結(jié)構(gòu)材料布局的經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合規(guī)范計(jì)算，統(tǒng)籌規(guī)劃好全船每塊區(qū)域結(jié)構(gòu)的材料選用。例如：

1）為降低船舶的重量和重心，需考慮是否要在上層建筑的選材中考慮鋁合金材料、夾層板或纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。若選用非鋼制材料，還要考慮后期維修的便利性和維護(hù)成本。

2）需考慮在某個(gè)特定的區(qū)域，選用何種等級(jí)的高強(qiáng)度鋼材更為合適。通常情況下，對(duì)于總強(qiáng)度裕度較小的船舶而言，在甲板區(qū)域采用屈服極限較大的高強(qiáng)度鋼能節(jié)省較多的船體結(jié)構(gòu)重量。是否使用高強(qiáng)度鋼不僅僅取決于結(jié)構(gòu)的輕量化要求，還要考慮船體結(jié)構(gòu)大量采用高強(qiáng)度鋼之后帶來(lái)的船體梁剛度減弱、固有頻率下降和拉應(yīng)力偏大造成鋼板腐蝕加劇等問(wèn)題。雖然各國(guó)的船級(jí)社規(guī)范和《共同結(jié)構(gòu)規(guī)范》（Common Structural Rules，CSR）對(duì)采用高強(qiáng)度鋼的船體結(jié)構(gòu)的剛度和疲勞強(qiáng)度衡準(zhǔn)作出了嚴(yán)格的規(guī)定，但結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師在選用屈服極限較大的高強(qiáng)度鋼時(shí)仍需與船東和船廠(chǎng)溝通，必要時(shí)應(yīng)將其寫(xiě)入設(shè)計(jì)規(guī)格書(shū)中。

建議結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師按構(gòu)件承載能力劃分?jǐn)?shù)值區(qū)間，同一數(shù)值區(qū)間內(nèi)的構(gòu)件選取統(tǒng)一規(guī)格的尺寸。表1 為某船的屈曲加強(qiáng)筋規(guī)格選取建議表，一般在滿(mǎn)足CSR要求的船型上使用。這樣不僅能減少材料的規(guī)格種類(lèi)，降低繪圖人員選取構(gòu)件時(shí)的盲目性，而且能降低船廠(chǎng)工人用錯(cuò)材料的可能性，同時(shí)能提升船體構(gòu)件放樣套料的材料利用率，降低船廠(chǎng)的材料管理成本。

表1 某船的屈曲加強(qiáng)筋（兼開(kāi)孔自由邊屈曲加強(qiáng)筋）規(guī)格選取建議表

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師應(yīng)了解船廠(chǎng)的采購(gòu)習(xí)慣和影響采購(gòu)成本的關(guān)鍵因素，如船廠(chǎng)習(xí)慣合作的鋼廠(chǎng)生產(chǎn)的型材的規(guī)格和價(jià)格、每噸高強(qiáng)度鋼中厚板與每噸普通鋼材的差價(jià)等。若設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的某種型材不在船廠(chǎng)的采購(gòu)范圍內(nèi)，且用量不大，則可考慮用其他型材或組合型材代替這種型材。在某個(gè)區(qū)域選用高強(qiáng)度鋼雖然能減輕一定比例的結(jié)構(gòu)重量，但若該高強(qiáng)度鋼的價(jià)格成本超過(guò)普通鋼的價(jià)格成本和相當(dāng)于可減輕重量的鋼料的價(jià)格成本，則該區(qū)域未必一定要選用高強(qiáng)度鋼。

2 從設(shè)計(jì)的角度控制建造工藝成本

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師應(yīng)了解如何運(yùn)用船體結(jié)構(gòu)零件建造船舶，也即，解決“怎么用”的問(wèn)題。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，要與船廠(chǎng)的生產(chǎn)設(shè)計(jì)及工法部門(mén)加強(qiáng)溝通，了解船廠(chǎng)常用的節(jié)點(diǎn)形式、平面生產(chǎn)線(xiàn)的使用要求、小組立到大組立的組裝順序和焊接規(guī)程等，并參與船廠(chǎng)的分段劃分工作。

2.1 根據(jù)船廠(chǎng)的船舶建造能力和習(xí)慣完善典型節(jié)點(diǎn)的形式

由于不同船廠(chǎng)的船舶建造習(xí)慣不同，其典型節(jié)點(diǎn)形式會(huì)略有不同。例如，某船廠(chǎng)在對(duì)靠近實(shí)肋板人孔的底部縱骨貫穿孔形貌及其包頭補(bǔ)板進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)之后，發(fā)現(xiàn)縱骨貫穿孔的開(kāi)孔高度更小，此時(shí)若再將全包頭補(bǔ)板改為半包頭補(bǔ)板，不僅能減少焊接工作量，而且能使局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度余量更大，見(jiàn)圖1。

圖1 臨近人孔的底部縱骨貫穿孔及其包頭補(bǔ)板的優(yōu)化形式

2.2 根據(jù)船廠(chǎng)的船舶建造工藝流程改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

某些船廠(chǎng)采用自動(dòng)化水平較高的平面焊接流水線(xiàn)，在1 個(gè)分段范圍內(nèi)的較長(zhǎng)的平板橫向板縫要求不大于2 條。由于平板內(nèi)各區(qū)域的應(yīng)力分布不均衡，導(dǎo)致當(dāng)1 個(gè)分段內(nèi)的平板最佳板厚分布應(yīng)為變化值時(shí)，需權(quán)衡1 個(gè)分段長(zhǎng)度范圍內(nèi)平板板厚設(shè)計(jì)值變與不變的利弊，以及如何優(yōu)化加強(qiáng)筋的布置和尺寸，在控制重量的同時(shí)，使建造工藝得到簡(jiǎn)化。圖2 為某船因外底板不滿(mǎn)足雙向屈曲要求而實(shí)施的額外加強(qiáng)方案，其中：方案1 以增加橫向板縫為主，對(duì)船廠(chǎng)平面生產(chǎn)線(xiàn)的使用效率的影響比較大；方案2 以增加橫向屈曲加強(qiáng)筋為主，會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的件數(shù)較多，同時(shí)會(huì)影響到船底的流水暢通性；方案3 綜合考慮了方案1 和方案2 的優(yōu)點(diǎn)，在控制底部板架重量、合并橫向板縫和增加屈曲加強(qiáng)筋之間取得平衡，對(duì)于船廠(chǎng)簡(jiǎn)化工藝而言是相對(duì)較優(yōu)的方案。

圖2 外底板雙向屈曲加強(qiáng)的3個(gè)方案

對(duì)于大型運(yùn)輸船而言，由于其底部區(qū)域的剖面模數(shù)裕度不大，極限強(qiáng)度很難滿(mǎn)足要求，因此其底縱桁上的縱骨一般連續(xù)穿過(guò)實(shí)肋板，并參與總縱強(qiáng)度，這樣對(duì)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕量化有明顯的益處，但這種結(jié)構(gòu)形式會(huì)極大地影響船廠(chǎng)小組立的組裝效率。圖3 為某散貨船底部縱桁上縱骨的連續(xù)性對(duì)其底部分段建造流程的影響示意圖，該船的底部分段建造以?xún)?nèi)底板為底面，先焊接內(nèi)底縱骨，再安裝底縱桁，接著安裝實(shí)肋板，最后蓋上外底板（含外底縱骨）。

圖3 某散貨船底部縱桁上縱骨的連續(xù)性對(duì)其底部分段建造流程的影響示意圖

在安裝實(shí)肋板過(guò)程中，底縱桁上縱骨間斷與否直接影響到實(shí)肋板的安裝方式（是能從上方直接落入，還是必須采用拉入法）。前者的建造效率遠(yuǎn)高于后者，但要求底縱桁上的縱骨必須間斷于實(shí)肋板。若船廠(chǎng)不愿意改變建造工藝流程，則結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師需尋找方法使底縱桁上的縱骨既間斷于實(shí)肋板，又滿(mǎn)足規(guī)范關(guān)于極限強(qiáng)度的衡準(zhǔn)要求。因此，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師需在增加結(jié)構(gòu)重量與節(jié)省建造工藝成本之間做出權(quán)衡。一般說(shuō)來(lái)，小型船舶采用底縱桁上的縱骨間斷于實(shí)肋板的設(shè)計(jì)方案引起的重量增加遠(yuǎn)小于大型船舶，可實(shí)施性相對(duì)更強(qiáng)。

2.3 提高焊接便利性方面的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案改進(jìn)

目前船廠(chǎng)的船舶建造周期相比以往縮短很多，而船廠(chǎng)的人工成本一直在增加，因此提升船廠(chǎng)的焊接便利性一直是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師關(guān)注的重點(diǎn)。例如，某些艏部、艉部和機(jī)艙底部區(qū)域的施工空間狹小，焊接工作量較大，在這些區(qū)域不應(yīng)使用過(guò)小的肋距，不應(yīng)增加過(guò)多的加強(qiáng)筋、肘板或板縫，應(yīng)想辦法增大結(jié)構(gòu)構(gòu)件間距和施工空間。圖4 為優(yōu)先考慮建造便利性的情況下，滑油循環(huán)艙下部施工空間狹小區(qū)域的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意，為保證在滑油循環(huán)艙下部區(qū)域有足夠的施工空間，應(yīng)在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿(mǎn)足要求的前提下，盡量在實(shí)肋板上設(shè)置較大的開(kāi)孔，并避免在開(kāi)孔周?chē)O(shè)置加強(qiáng)筋或面板，以減少在狹小空間的焊接工作量。

圖4 滑油循環(huán)艙下部施工空間狹小區(qū)域的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

此外，為提升焊接的便利性，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師應(yīng)配合船廠(chǎng)改進(jìn)焊接超厚板角焊縫時(shí)的坡口和焊接規(guī)程。圖5 為焊接超厚板角焊縫時(shí)的坡口和焊接規(guī)程改進(jìn)方案，相比原設(shè)計(jì)方案，改進(jìn)方案能節(jié)省很多焊接工作量，同時(shí)能使工人在開(kāi)敞空間內(nèi)施焊，避免仰焊，提升焊接的便利性。改進(jìn)的焊接方式雖然在焊縫強(qiáng)度方面略不如原方案，但也能滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)安全性的要求。設(shè)計(jì)院所應(yīng)在堅(jiān)持安全性的前提下，積極配合船廠(chǎng)做這種改進(jìn)工藝的嘗試，因?yàn)檫@也是一個(gè)相互學(xué)習(xí)的過(guò)程。這樣，在贏得船廠(chǎng)的信任的同時(shí)，有利于理解結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的內(nèi)涵，設(shè)計(jì)出既安全又便于建造的結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)。

圖5 焊接超厚板角焊縫時(shí)的坡口和焊接規(guī)程改進(jìn)方案

2.4 提高分段合攏效率方面的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案改進(jìn)

若要提高分段合攏的效率，最重要的一個(gè)原則是使與分段線(xiàn)相交的結(jié)構(gòu)零件數(shù)量盡可能少。圖6 為某機(jī)艙外板的骨材布置方案優(yōu)化改進(jìn)示意圖。由于分段線(xiàn)位于機(jī)艙平臺(tái)上且與機(jī)艙平臺(tái)平行，在原設(shè)計(jì)中有過(guò)多的橫向肘板與分段線(xiàn)相交。經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，在基本不影響結(jié)構(gòu)強(qiáng)度裕度的前提下，將局部的多個(gè)橫向肘板替換為一根不與分段線(xiàn)相交的外板縱骨，這樣不僅能減少構(gòu)件數(shù)，而且能提高分段合攏的效率。

圖6 某機(jī)艙外板的骨材布置方案優(yōu)化改進(jìn)示意圖

3 從設(shè)計(jì)的角度控制結(jié)構(gòu)總重量

最后要解決“用多少”的問(wèn)題，也即，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師要考慮使用多少材料能完成對(duì)整個(gè)船體結(jié)構(gòu)的搭建，這直接關(guān)系到船廠(chǎng)的建造成本。專(zhuān)業(yè)技術(shù)水平很高的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師不一定能做到有效控制空船重量，因?yàn)檫@里起決定性作用的是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師的綜合素質(zhì)，除了依靠結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師自身的技術(shù)水平之外，還需要與設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)內(nèi)部的其他專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)師溝通?？刂拼w結(jié)構(gòu)重量的工作需要團(tuán)隊(duì)成員共同努力來(lái)完成。

控制空船結(jié)構(gòu)重量的難度系數(shù)通常隨著輕量化指標(biāo)的提高而急劇增加。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師要善于合理分配自己的精力、體力和心力，做好組織協(xié)調(diào)和決策，如根據(jù)成本控制的重要性對(duì)每套圖紙的設(shè)計(jì)、校對(duì)和審定做出最合適的安排。重量控制問(wèn)題既包括結(jié)構(gòu)的統(tǒng)籌布局，又包括局部構(gòu)件的尺寸選取。前者要求設(shè)計(jì)師具有掌控全局的能力和豐富的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)；后者更多考驗(yàn)設(shè)計(jì)師的細(xì)心和耐心。下面將就這2 個(gè)方面的內(nèi)容展開(kāi)研討。

3.1 從總布置的角度控制空船結(jié)構(gòu)重量

優(yōu)秀的總布置是控制結(jié)構(gòu)建造成本的最佳切入點(diǎn)，甚至能直接決定超過(guò)50%的可優(yōu)化結(jié)構(gòu)重量。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師應(yīng)以最好的工作狀態(tài)盡早參與到總布置的決策中，從保障結(jié)構(gòu)安全和控制建造成本的角度對(duì)總布置圖提出修改意見(jiàn)。此時(shí)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師應(yīng)堅(jiān)持重量控制的技術(shù)要點(diǎn)，為整船的空船結(jié)構(gòu)成本控制打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，只有這樣才有條件抵消設(shè)計(jì)中后期一系列結(jié)構(gòu)成本增加帶來(lái)的負(fù)面影響。因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)中后期，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師也應(yīng)配合設(shè)備相關(guān)專(zhuān)業(yè)的人員根據(jù)生產(chǎn)設(shè)計(jì)放樣結(jié)果不斷調(diào)整局部結(jié)構(gòu)，此時(shí)局部結(jié)構(gòu)會(huì)變得不均等和無(wú)規(guī)律，結(jié)構(gòu)重量控制和建造成本必然有所增加。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師必須掌握總體設(shè)計(jì)的基本常識(shí)，了解影響?hù)秆b、輪機(jī)等專(zhuān)業(yè)設(shè)備布置的重要因素，以便與這些專(zhuān)業(yè)的設(shè)計(jì)師深入討論總布置方案。一些船體內(nèi)部空間的設(shè)備和舾裝件排列得很密集，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師應(yīng)仔細(xì)平衡不同專(zhuān)業(yè)對(duì)占用空間的訴求，做出必要的結(jié)構(gòu)布置調(diào)整。

在總布置方案設(shè)計(jì)階段需考慮的問(wèn)題包括：

1）盡可能地在滿(mǎn)足船舶技術(shù)指標(biāo)要求的同時(shí)壓縮主尺度，尤其是結(jié)構(gòu)吃水線(xiàn)以上的任何空間；

2）在保證操船者配載的便利性的前提下，合理分艙，以將船舶設(shè)計(jì)靜水彎矩和剪力控制在一個(gè)合理的范圍內(nèi)；

3）合理設(shè)計(jì)艙室、甲板、平臺(tái)、艙壁的位置和邊界，在滿(mǎn)足規(guī)格書(shū)和規(guī)范的要求的條件下，適當(dāng)減少或減小艙室、甲板、平臺(tái)和艙壁的數(shù)量、長(zhǎng)度、面積、體積，甚至取消非必要的艙室、甲板和平臺(tái)；

4）通過(guò)優(yōu)化艙室邊界形狀，減輕鋼制艙室邊界的重量；

5）力求局部乃至更大范圍內(nèi)的骨材間距、強(qiáng)框/立柱間距均等設(shè)計(jì)。

為在油艙總體積滿(mǎn)足要求的前提下減少油艙的圍壁表面積，應(yīng)避免設(shè)置形狀過(guò)扁的油艙，通過(guò)求取油艙圍壁總面積的最優(yōu)解設(shè)計(jì)最優(yōu)的艙室形狀，見(jiàn)圖7。

圖7 參考油艙圍壁總面積數(shù)值的最優(yōu)解開(kāi)展油艙邊界形狀參數(shù)優(yōu)化

以上統(tǒng)籌優(yōu)化工作對(duì)總設(shè)計(jì)師團(tuán)隊(duì)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)、邏輯判斷能力、綜合統(tǒng)籌能力和知識(shí)的廣度提出了較高的要求。

3.2 從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的角度控制空船結(jié)構(gòu)重量

3.2.1 結(jié)構(gòu)布置的優(yōu)化

考慮到基本結(jié)構(gòu)圖的重要性，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師應(yīng)在思想上對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)予以足夠重視，并投入足夠多的時(shí)間和精力。應(yīng)對(duì)基本結(jié)構(gòu)圖的每處細(xì)節(jié)都精打細(xì)算，充分發(fā)揮自己的聰明才智，將自己的設(shè)計(jì)思想和成本控制理念體現(xiàn)在基本結(jié)構(gòu)圖中。

在進(jìn)行結(jié)構(gòu)布置時(shí)，應(yīng)盡可能地避免設(shè)置“冗余”的船體構(gòu)件，而不是僅僅局限于參考母型船。刪除一個(gè)可有可無(wú)的船體構(gòu)件相比單純地減小該構(gòu)件的尺寸，減重效果要好很多。例如，根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算結(jié)果，盡可能地取消對(duì)總強(qiáng)度、局部強(qiáng)度和動(dòng)力性能貢獻(xiàn)較小的構(gòu)件。圖8 為某油船的機(jī)艙區(qū)域上甲板，若該區(qū)域?yàn)榭v骨架式，且甲板縱桁兩端的橫艙壁或立柱間距較大，則該甲板縱桁跨距較大，自身的剛度較弱，無(wú)法對(duì)強(qiáng)橫梁形成有效支撐，是否需設(shè)置此類(lèi)甲板縱桁還需結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師仔細(xì)斟酌、予以取舍。

圖8 某油船的機(jī)艙區(qū)域上甲板

3.2.2 拓?fù)鋬?yōu)化的應(yīng)用

拓?fù)鋬?yōu)化的基本原理是考慮盡量將主要的支撐構(gòu)件布置到傳承載荷的最佳路徑上。圖9 為某單縱艙壁超大型油船（Very Large Crude Carrier，VLCC）的橫向主要支撐構(gòu)件按拓?fù)鋬?yōu)化的固體各向同性材料懲罰函數(shù)（Solid Isotropic Material with Penalization，SIMP）方法得到的最佳傳力路徑。一個(gè)較優(yōu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案必然能體現(xiàn)出應(yīng)力均等的原則，即：整個(gè)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水準(zhǔn)在滿(mǎn)足安全性要求的同時(shí)，其安全利用因子應(yīng)盡可能大且接近，使得“材”盡其用。

圖9 某單縱艙壁VLCC的橫向主要支撐構(gòu)件基于SIMP法求得的最佳傳力路徑

在引入適當(dāng)?shù)募s束條件之后，拓?fù)鋬?yōu)化同樣適用于規(guī)模和體量較小的構(gòu)件，如型材。常見(jiàn)的型材形式有球扁鋼、不等邊不等厚角鋼、不等邊等厚角鋼和船廠(chǎng)軋制的T型材。同時(shí)，由于T型材的采購(gòu)成本較低、形狀可設(shè)計(jì)、適用的剖面模數(shù)范圍大，多數(shù)船廠(chǎng)都能自行生產(chǎn)，因此設(shè)計(jì)力學(xué)性能更優(yōu)的T 型材值得結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師注意。曾有多位研究人員通過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化推演出T 型材的最佳構(gòu)型形似于雙球頭球扁鋼。設(shè)置面板等截面、腹板平直化等約束條件之后的T型材面板的最佳拓?fù)錁?gòu)型是形似雙球頭球扁鋼的球頭。

以上拓?fù)錁?gòu)型要經(jīng)過(guò)形狀參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)之后才能在實(shí)船上應(yīng)用。中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院曾綜合拓?fù)浜托螤顓?shù)優(yōu)化，設(shè)計(jì)一種力學(xué)性能更優(yōu)的T型材，并已獲得國(guó)家專(zhuān)利局的授權(quán)，內(nèi)容詳見(jiàn)文獻(xiàn)［9］，此處不再贅述。

3.2.3 形狀參數(shù)優(yōu)化的應(yīng)用

主要支撐構(gòu)件的形狀參數(shù)優(yōu)化往往與有限元分析技術(shù)相關(guān)。目前，有限元分析技術(shù)已在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中得到廣泛應(yīng)用，甚至可能占到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)總工作量的50%，計(jì)算結(jié)果僅用于校核船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是否滿(mǎn)足規(guī)范的要求較為可惜，還可將其作為結(jié)構(gòu)輕量化的技術(shù)依據(jù)和創(chuàng)新設(shè)計(jì)的依據(jù)。在確保有限元計(jì)算的精度可控和計(jì)算工況全面的前提下，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師通常以有限元分析結(jié)果為基礎(chǔ)，依據(jù)雙向漸進(jìn)優(yōu)化的篩選原則，在高應(yīng)力區(qū)域增加構(gòu)件的幾何尺寸，在低應(yīng)力區(qū)域減小構(gòu)件的幾何尺寸或增加開(kāi)孔，從而達(dá)到控制結(jié)構(gòu)重量成本的目的。

圖10為按雙向漸進(jìn)優(yōu)化方法優(yōu)化得到的某阿芙拉型油船中縱艙壁橫向強(qiáng)框下部區(qū)域的形狀優(yōu)化及開(kāi)孔設(shè)置（分段施工現(xiàn)場(chǎng)）。通過(guò)仔細(xì)分析圖10 a中的應(yīng)力云圖和變形特征發(fā)現(xiàn)：油船中縱艙壁橫向強(qiáng)框靠近面板處具有較大的壓縮變形，橫向壓縮應(yīng)力水平較高，應(yīng)考慮增加橫向強(qiáng)框端部放大的范圍；橫向強(qiáng)框下部靠近中縱艙壁的位置應(yīng)力水平較低，可考慮在此處設(shè)置較大的開(kāi)孔，由此演變成圖10 b所示的形狀。

圖10 某阿芙拉型油船中縱艙壁橫向強(qiáng)框下部區(qū)域的形狀優(yōu)化和開(kāi)孔設(shè)置

3.2.4 尺寸優(yōu)化的應(yīng)用

結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸優(yōu)化不能盲目地以降低結(jié)構(gòu)安全余量，犧牲結(jié)構(gòu)的安全性為代價(jià)。尺寸優(yōu)化適用于全船各個(gè)角落的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，因此細(xì)節(jié)工作有很多，總工作量較大，其中包括所有構(gòu)件板厚的設(shè)計(jì)和骨材的剖面優(yōu)化等。這樣做雖然能很可觀(guān)地減輕結(jié)構(gòu)的總重量，但有可能增加構(gòu)件損傷、加大局部振動(dòng)響應(yīng)、增加船級(jí)社退審意見(jiàn)率，因此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師在進(jìn)行尺寸優(yōu)化時(shí)，除了要通過(guò)全面細(xì)致的計(jì)算滿(mǎn)足規(guī)范中各種強(qiáng)度的衡準(zhǔn)要求之外，還要考慮整體和局部板架振動(dòng)頻率是否與主要激振頻率重疊。此外，盲目追求減輕空船結(jié)構(gòu)重量也有可能導(dǎo)致建造結(jié)構(gòu)所用型材的種類(lèi)、屈曲加強(qiáng)筋、肘板和補(bǔ)板的數(shù)量急劇增加，給船廠(chǎng)施工帶來(lái)諸多不便，引起船體建造成本增加。因此，需在空船結(jié)構(gòu)重量與結(jié)構(gòu)零件數(shù)之間取得平衡。

因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)成本控制競(jìng)爭(zhēng)的激烈程度增加，結(jié)構(gòu)優(yōu)化的對(duì)象已覆蓋全船。不僅貨艙、艏部、艉部、機(jī)艙和上層建筑等總重量通常在數(shù)百?lài)嵣踔翈兹f(wàn)噸的區(qū)域是結(jié)構(gòu)重量控制的重點(diǎn)，掛舵臂、艉軸鑄鋼件和機(jī)艙海水門(mén)結(jié)構(gòu)等以往對(duì)結(jié)構(gòu)安全性要求很高的重點(diǎn)區(qū)域也是結(jié)構(gòu)建造成本控制的對(duì)象。此外，設(shè)備基座、舷墻和舭龍骨等重量?jī)H為幾噸甚至幾百千克的小體量、細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)也屬于結(jié)構(gòu)重量控制的范疇。圖11 為某大型散貨船的舭龍骨結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)化及輕量化設(shè)計(jì)，將原來(lái)的組合式舭龍骨簡(jiǎn)化為普通型材，構(gòu)件數(shù)量和重量均減少30%以上。盡管構(gòu)件尺寸優(yōu)化看起來(lái)是一種技術(shù)含量不高的“苦功夫”，但起到積極作用的“苦功夫”好于“沒(méi)功夫”。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師應(yīng)秉持“積小勝為大勝”的長(zhǎng)期主義理念，肯在細(xì)微處下“苦功夫”。結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化既不能忽視細(xì)節(jié)，又不能拘泥于細(xì)節(jié)，同時(shí)還要注意不能在細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)中花費(fèi)太多精力，造成對(duì)整體結(jié)構(gòu)重量成本的控制力下降。

圖11 某大型散貨船的舭龍骨結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)化及輕量化設(shè)計(jì)

4 結(jié)構(gòu)建造成本控制的其他方面

4.1 技術(shù)創(chuàng)新

從理論上看，空船重量控制沒(méi)有止境，所有參考母型都存在減輕重量的空間。但是，在某個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的技術(shù)周期內(nèi)，結(jié)構(gòu)重量控制實(shí)際上存在一個(gè)上限，越接近該上限，結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)付出的代價(jià)越大。因此，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師既不能盲目追求結(jié)構(gòu)輕量化，又要不斷進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新。

創(chuàng)新精神和敢于擔(dān)當(dāng)是每個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師都應(yīng)具備的優(yōu)秀品質(zhì)，既要通過(guò)練習(xí)和閱讀其他設(shè)計(jì)方案培養(yǎng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的靈感，又不能盲目相信這種靈感。結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)要落實(shí)到實(shí)船設(shè)計(jì)中，一般要經(jīng)過(guò)更多的驗(yàn)算和試驗(yàn)證明這種設(shè)計(jì)的有效性。因?yàn)椴捎眯录夹g(shù)會(huì)改變?cè)瓉?lái)的成本基本構(gòu)成，對(duì)成本控制的改變可能是革命性的。要對(duì)失敗的創(chuàng)新設(shè)計(jì)保持寬容和理解，制定合理的規(guī)章制度鼓勵(lì)設(shè)計(jì)師勇于創(chuàng)新，使其勞動(dòng)價(jià)值得到充分的體現(xiàn)。

4.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)間成本控制

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)間成本控制也是船體建造成本控制中的重要一環(huán)，不僅直接關(guān)系到船廠(chǎng)能否及時(shí)交船，而且直接決定留給船廠(chǎng)進(jìn)行生產(chǎn)設(shè)計(jì)的時(shí)間，間接影響到船廠(chǎng)結(jié)構(gòu)的建造成本。

首先要設(shè)法減少設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)內(nèi)部的溝通時(shí)間成本和設(shè)計(jì)返工。團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神一直是設(shè)計(jì)師極為重要的個(gè)人素質(zhì)之一。整個(gè)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)中的各成員之間若能良好地溝通協(xié)作，有助于大幅縮短設(shè)計(jì)周期，節(jié)省大量的工時(shí)成本。

通過(guò)充分地進(jìn)行市場(chǎng)調(diào)研獲得最佳的船型優(yōu)化需求信息，以避免設(shè)計(jì)師多走彎路，在最短的時(shí)間內(nèi)設(shè)計(jì)出受市場(chǎng)歡迎的船型；通過(guò)全周期的三維參數(shù)化設(shè)計(jì)提高設(shè)計(jì)的效率，以節(jié)省設(shè)計(jì)師的時(shí)間；通過(guò)應(yīng)用現(xiàn)代化生產(chǎn)管理系統(tǒng)降低結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師的內(nèi)外部溝通時(shí)間成本。以上均是控制設(shè)計(jì)時(shí)間成本的重要手段，也是各設(shè)計(jì)單位正在運(yùn)用的技術(shù)手段。

5 結(jié) 語(yǔ)

船體結(jié)構(gòu)建造成本控制是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，需從大處布局，從細(xì)節(jié)做起。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師要對(duì)船體結(jié)構(gòu)成本控制的各個(gè)環(huán)節(jié)和技術(shù)要點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃，與設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)內(nèi)的各位成員精誠(chéng)合作，智慧地分配自己的精力、體力和心力，善于將復(fù)雜問(wèn)題分解為多個(gè)簡(jiǎn)單問(wèn)題。不管是宏觀(guān)總布置還是微觀(guān)細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)，都應(yīng)經(jīng)過(guò)反復(fù)計(jì)算論證和自我否定。同時(shí)，要重視技術(shù)創(chuàng)新和再學(xué)習(xí)，不斷地實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)技術(shù)改進(jìn)，與包括船廠(chǎng)生產(chǎn)設(shè)計(jì)在內(nèi)的整個(gè)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)一起，共同完成整個(gè)建造周期的船體結(jié)構(gòu)成本控制。