船舶建筑與結構綜述

第六章船舶建筑與結構

§1船體的構成一.船體概貌為了保證船舶具有一定的浮性及特定的外部形狀,船體結構必須有可靠的水密性和足夠的堅固性,同時船體結構又應符合船的使用要.所以,船體是一個浮在水上的復雜空間結構.。圖所示的為15000t級多用途貨船的船體構成。船體結構分為主船體和上層建筑兩大部分。船體結構大都用鋼材，由板材和型材組合成板架結構。下面分主船體及上層建筑兩部分進行討論。

二.主船體主船體是指船舶的連續(xù)露天甲板(通常為上甲板)以下的部分。主船體內(nèi)的艙室劃分，沿船長方向通過水密橫艙壁進行縱向劃分；沿型深方向通過甲板或平臺作出豎向劃分；沿船寬方向通過縱向艙壁進行橫向劃分。主船體是由船殼(船底及船側)和上甲板圍成的具有特定形狀的空心體，是保證船舶具有所需浮力，航海性能和船體強度的關鍵部分，一般用于布置動力裝置、裝載貨物、儲存燃油和淡水，以及布置其他各種艙室。為保障船體強度、提高船舶的抗沉性和布置各種艙室，通常設置若干強固的水密橫艙壁或縱艙壁，并根據(jù)需要加設中間甲板（平臺板）。在船長方向分為：首部、中部、尾部及其間過渡部分。而后每一部分又都是由船底、舷側、甲板等形成的水密的空心結構。在空心結構內(nèi)部，又有由甲板和艙壁分隔成許多艙室。安裝在船寬方向的艙壁稱為橫艙壁，首、尾端的橫艙壁稱為首尖艙壁和尾尖艙壁。沿船長方向的艙壁稱為縱艙壁。為了加強首、尾端，在首端安有首柱，在尾端安有尾柱。圖為某貨船的船中部的結構。其船底結構由船底外板（包括平板龍骨、船底板和舭列板）、中內(nèi)龍骨、旁內(nèi)龍骨及肋板等構件組成。船體舷側結構是由舷側外板（包括舷側板、舷頂列板）、肋骨、舷側縱桁等構件組成。

船體甲板結構是由甲板板、橫梁、甲板縱桁等構件組成。艙壁則由艙壁板和扶強材組成。肋板、肋骨及橫梁一般都布置在同一個平面上，并相互連接成肋骨框架（一般用三角肘板連接）。肋骨之間的距離稱為肋距。三.上層建筑上層建筑位于上甲板以上，由左、右側壁，前、后端壁和各層甲板圍成，其內(nèi)部主要用于布置各種用途的艙室，如工作艙室、生活艙室、貯藏艙室、儀器設備艙室等。上層建筑的大小、層樓和型式因船舶用途和尺度而異。當此結構自一舷伸至一舷，或其側壁自外板內(nèi)縮不大于4%船寬的稱為上層建筑。通常，在首部的上層建筑稱為首摟，在尾部的上層建筑稱為尾摟，在中部的上層建筑稱為橋摟。在甲板上的結構物其側壁并非外板的延續(xù)部分或不能算作外板延續(xù)部分的稱為甲板室?！?船體結構的形式一.船體結構用鋼材船體結構基本上是由板和裝焊在板上的縱橫交錯結構件（船體中通常稱為骨架）組成的。形成骨架的型鋼有：船體結構的骨架還有T型材，設計者按需要決定其面板和腹板的尺度。船體結構中的骨架粱大多由軋制型鋼、T型材或折邊鋼板等制成，并與焊接的船體鋼板形成組合梁，共同抵抗彎曲。軋制型鋼(扁鋼、角鋼、球扁鋼、I型鋼、槽型鋼等)國家已批量生產(chǎn)，設計時只是按要求選擇型號。T型材最合理地使用材料而得到最高的強度，且能使結構具有良好的對稱性，二.船體結構型式1、橫骨架式橫向鉤件布置較密，縱向鉤件布置較疏。2、縱骨架式橫向鉤件布置較疏，縱向鉤件布置較密。3、混合骨架式橫向鉤件與縱向鉤件布置疏密程度相差不大。?！?船體結構的強度概念船體結構中的骨架構件，一些僅承受拉伸或壓縮荷重的作用，如支柱、桁架斜桿等，這類構件剖面的設計比較簡單，并且已在材料力學課程中充分地討論過了；另一些(船體結構中絕大部分構件)主要承受彎曲，即作為“梁”使用。船體結構抵抗外力作用和變形的能力稱船體結構的強度與剛度。重力和水壓力是船體結構所承受的主要外力。重力在船體上的分布與結構本重、設備重量、載貨重量及燃油、水等有關，水壓力在船體上的分布與船的浮態(tài)和形狀有關。一.總強度整個船的重力和浮力是大小相等、方向相反，是平衡的。但沿船長的重力曲線和浮力曲線是形狀不同的。向上的浮力與向下的重力的差值就相當于作用于船體上的載荷。這個載荷可使整個船體發(fā)生沿船長的彎曲變形，稱為總縱彎曲。通常把中間上拱、兩端下垂的彎曲稱為“中拱”；把中間下垂、兩端上翹的彎曲稱為“中垂”，把船體看作為一組變斷面的空心糧，其抵抗縱向彎曲的能力稱為船體的總縱強度。船體結構抵抗總扭曲的能力稱為船體的總扭曲強度。二.局部強度僅涉及船體個別結構的變形和破壞稱為局部變形和破壞。船體結構必須要有足夠的能力抵抗這些局部性變形和破壞，稱為船體的局部強度。有時，局部變形和破壞會導致全船的破壞。三.橫向強度有一些船體變形是發(fā)生在橫向的。船體結構必須要有足夠的能力抵抗這些橫向變形和破壞，稱為船體的橫向強度。保證船體結構具有足夠的強度、剛度和穩(wěn)定性是設計者應首先考慮的問題?！?主船體結構板架結構——船體中由交叉布置的骨材（或板材）和覆蓋在其上的板構成的一種典型平面結構。板架結構的四周都受到相鄰板架的支持。常見的有甲板板架、舷部板架、船底板架以及橫艙壁、縱艙壁、平臺板等。從構造上分析，船體結構可看作板架的組合。各板架在整個船體中的部位和作用不同，受力情況也不同。在研究方法上，常把覆蓋在骨材或板材上的板，用具有一定寬度的帶板與其一起組成理想化的交叉梁系進行研究。對于用板材加強的板架（如雙底結構），有時也化成結構上的正交異性板來研究。一.船底結構1、船體外板鋼板的長邊沿船長方向布置，形成沿船長的一長列，稱為列板。船底中心處的一列板稱為平板龍骨，又稱為K行板。沿舭部延伸的一列板稱為舭列板。在平板龍骨和舭列板之間的列板統(tǒng)稱為船底板。同一列板上各鋼板間的連接縫稱為端接縫，兩相鄰列板間的連接縫稱為邊接縫。2、單底結構(1)橫骨架式單底結構橫骨架式單底結構的骨架由肋板（包括水密肋板、組合肋板實肋板）和內(nèi)龍骨（包括中內(nèi)龍骨、旁內(nèi)龍骨）等構件組成。其肋板在每一肋位上裝設，中內(nèi)龍骨高度與肋板高度相同。(2)縱骨架式單底結構縱骨架式單底結構中增加了大量縱骨，中內(nèi)龍骨做成連續(xù)的，每隔幾檔肋距設置一肋板。中內(nèi)龍骨與肋板相交處高度不一定相同。3、雙底結構雙底是指船底有外底和內(nèi)底兩層，它由船底外板、內(nèi)底板、內(nèi)底邊板及雙底內(nèi)的縱橫骨架等構件組成。雙底結構有利于防底部進水，雙底還可裝載燃油、淡水、壓載水等，也有利于增加底部強度。雙底高度至少為700mm。分為橫骨架式雙底結構和縱骨架式雙底結構。二.舷側結構舷側結構是連接船底與甲板的側壁。它直接受到舷外水壓力、碰撞力、波浪沖擊力、冰塊的沖擊與擠壓等作用。船體舷側結構是由舷側外板（包括舷側板、舷頂列板）和加強它的骨架（肋骨、強肋骨、舷側縱桁）等構件組成。

舷側外板最上面的一列板稱為舷頂列板。它比一般的舷側板厚。舷側結構也有橫骨架式結構和縱骨架式結構。三.甲板結構船體甲板結構是由甲板板、橫梁、強橫梁、艙口端梁、甲板縱桁、甲板縱骨等構件組成。甲板結構也有橫骨架式結構和縱骨架式結構。1、甲板板甲板邊板順著甲板邊線。甲板板的端接縫不能放在大開口的端部附近。艙口角部位的甲板需加厚。2、橫骨架式甲板結構的骨架橫骨架式甲板結構的骨架包括普通橫梁、艙口端梁、甲板縱桁等，局部區(qū)域設置強橫梁。3、縱骨架式甲板結構的骨架縱骨架式甲板結構的骨架包括甲板縱骨、強橫梁、艙口端梁、甲板縱桁等。強橫梁支持甲板縱骨，甲板縱桁支持強橫梁。4、貨艙口圍板結構

貨艙口圍板的結構由縱向和橫向圍板、水平加強垂直加強筋等構成。四.水密艙壁結構艙壁結構型式有兩類，一類是由鋼板和扶強材等組成的平面艙壁，另一類是由壓成槽形的鋼板組成的槽形艙壁。水密艙壁上是不容許設置通道的（必要時要加水密門）。首防撞艙壁距首垂線不小于0.05Ls或10m，取其小者，但不得大于0.08Ls。油艙與水艙之間必須設置水密的隔艙，水密隔艙的長度一般是一個肋距。五、船首端結構船首端結構（首柱）一般是三種型式：①鑄鋼件或鍛鋼件首柱，它一般用于較大的船舶。②厚鋼板在加工中彎曲成首柱形狀，再焊接成首柱，它一般用于較小的船舶。③水線上部為厚鋼板焊接、水線下部為鑄鋼件或鍛鋼件的混合型首柱。內(nèi)河船上還采用圓鋼、鋼管首柱。六、船尾端結構尾柱結構過去一般是由舵柱、螺旋槳柱和尾柱底骨組成?，F(xiàn)在有的沒有舵柱了。雙娓鰭船的尾部結構為厚鋼板焊接而成。七、基座結構八、煙囪結構§5上層建筑結構特點若上層建筑與主船體一樣地彎曲，則要求很強，通常稱為強力上層建筑。若上層建筑極差小，不參加總縱彎曲，結構較弱，通常稱為輕型上層建筑。壓筋板結構和鋁合金板可作為上層建筑的圍壁結構。要使它們不參加總強度，可用橫貫全船的通道把它們分成幾小段。壓筋板作為上層建筑的圍壁結構，重量輕，施工簡單，減少了焊接工作量，也減少了焊接變形。而且它具有縱向收縮性，能減少總縱彎曲對上層建筑的影響。壓筋板結構分為開式和閉式兩種，開式在全長壓通，制造簡單；閉式在兩端逐漸過度到平板結構。在橋樓或長首樓、長尾樓的端部，因結構突然中斷，易產(chǎn)生破壞，因此在一定范圍內(nèi)結構適當加強。通常，將端部側壁向外以圓弧形過渡到舷頂列板，并適當加強端壁前后上甲板的甲板邊板與舷頂列板的厚度。

載重線法規(guī)對船首的最小高度有明確的規(guī)定，首樓甲板的寬度與長讀還應滿足設備布置的需要。上層建筑在端部轉彎處一般是圓弧形，便于人員走動和搬運物品。船舶設計中的進水點影響上層建筑結構：①上層建筑中不進水的那一層的圍壁結構必須是水密的，它上面的門和窗也必須是水密的。②上層建筑剛進水的那一層的圍壁結構中的門檻是較高的，目的是抬高進水點，使進水角變大。③上層建筑中連接上下層的梯口一般設置在縱中剖面附近，目的是使進水角變大。一、船體結構中的型材

船體結構中的骨架構件，一些僅承受拉伸或壓縮荷重的作用，如支柱、桁架斜桿等，這類構件剖面的設計比較簡單，并且已在材料力學課程中充分地討論過了；另一些(船體結構中絕大部分構件)主要承受彎曲，即作為“梁”使用。軋制型鋼(扁鋼、角鋼、球扁鋼、I型鋼、槽型鋼等)國家已批量生產(chǎn)，設計時只是按要求選擇型號。T型材最合理地使用材料而得到最高的強度，且能使結構具有良好的對稱性，二、衡量型材剖面材料利用的指標

型材削面設計應符合下列要求：

①具有足夠的強度、剛度和穩(wěn)定性；

②應盡可能符合牛產(chǎn)與工藝方面的要求，如制造簡單、施工質(zhì)量高等；

§6船體結構中的型材的使用③滿足特殊結構與營運使用的要求，例如，為保證貨艙容積而對型材剖面高度的限制、因腐蝕磨損而對最小板厚的要求等；

④剖面內(nèi)材料分布合理，使所得結構質(zhì)量最輕，這是船體結構工程師的重要目標之一。

衡量型材剖面內(nèi)材料分布合理程度的指標有：剖面利用系數(shù)和比面積。

大家知道，梁材受橫荷重作用時，其抵抗彎矩的能力由剖面的最小剖面模數(shù)保證。剖面的最小剖面模數(shù)W1為：

這就相當于由兩個離中和軸的距離為｜Z｜max、面積各為0．5F的翼板組成的剖面(圖9-2)?？墒?，這種型材實際上是無法制造的，因為它沒有連接兩翼板的腹板，所以稱為“理想”削面。設“理想”剖面的剖面模數(shù)為Wo，則：式中：n——剖面的利用系數(shù)。

在剖面積和高度相同的情況下，系數(shù)n能表明材料在剖面中分布的合理程度，即n值越大，所設計的型材剖面越接近于“理想”剖面，剖面材料的利用率就越高。由于剖面高度對剖面模數(shù)有很大影響，當剖面高度h不同時，n值的大小就不能反映材料在剖面中的利用率了。三、船體結構強度與質(zhì)量、工藝的矛盾1、船體結構強度與質(zhì)量的矛盾

保證船體結構具有足夠的強度、剛度和穩(wěn)定性是設計者應首先考慮的問題。但這并不是說構件選得愈大、愈堅固愈好，強度過剩會造成質(zhì)量增加，鋼材消耗多，建造成本提高并減少船舶載運能力。我們希望在保證船體結構滿足強度、剛度和穩(wěn)定性的前提下，力求減輕結構質(zhì)量，節(jié)約材料。2．結構與工藝性的矛盾

在結構設計時，還必須考慮到結構工藝性要求。好的結構工藝性包括：考慮到船舶所有部位的裝配和施焊的可能性；盡可能擴大分段建造范圍，縮短造船周期，改善作業(yè)條件，提高造船質(zhì)量；盡量簡化零部件結構，減少規(guī)范品種，盡可能采用標準件；盡量減少零部件的曲線外形，結構上的開孔、切角等應符合標準尺寸或常取尺寸；考慮船體結構維修與保養(yǎng)的可能性與方便性等。

3，結構與使用性的矛盾

結構布置與構件尺寸要符合使用要求。例如，貨船的結構布置要便于裝卸貨物；旅客及船員住艙應有足夠凈空高；支柱的布置應不妨礙總體布置及機器設備安裝的要求等。因此結構設計要與總體、輪機和設備的設計密切配合，樹立整體觀念，保證船舶各方面都有良好的性能。此外，根據(jù)使用要求在選取構件尺寸時要合理地考慮銹蝕、磨損余量及其他特殊加強，以降低維修費用和提高使用年限。

船體結構的圖紙有多種；基本結構圖、中橫剖面圖、外板展開圖和各個部位或分段的結構圖。

（一）由于船體結構基本上有板材構成的，而板材的厚度比船體結構的主要尺度小得多，因此板材的的剖面采用圖線表示。了解船體結構和看懂船體結構圖紙，就必須先了解圖線的型式及應用范圍。１、粗實線應用范圍：板材、骨材剖面簡化線。設備、部件的可見輪廓線。２、細實線應用范圍：可見輪廓線、尺寸線或尺寸界線、型線、基線、引出線、接縫線、剖面線、規(guī)格線。３、粗虛線應用范圍：不可見板材簡化線。４、軌道線應用范圍：主船體結構內(nèi)不可見水密板材簡化線?！?船體結構設計的圖示方法５、細虛線應用范圍：不可見輪廓線。不可見次要構件的簡化線。６、粗點劃線應用范圍：可見主要構件的簡化線。鋼索、繩索、鏈索的簡化線。７、細點劃線應用范圍：中心線、可見次要構件的簡化線、開口對角線、轉圓線、液艙范圍線、折角線。８、粗雙點劃線應用范圍：不可見主要構件的簡化線。９、細雙點劃線應用范圍：非本圖構件可見輪廓線。假想構件可見輪廓線。肋板邊線。工藝開口線。１０、折斷線應用范圍：構件斷裂邊界線。（二）船體結構的圖紙舉例１、基本結構圖（側面、尾部）２、基本結構圖（上甲板、尾部）３、中橫剖面圖４、外板展開圖（