基于详细设计的船体结构重量预估研究

基于详细设计的船体结构重量预估研究

杜晶松

武汉船舶设计研究院有限公司湖北省武汉市430000

摘要：伴随着我国船舶制造工程的不断发展，对于船体结构的质量生产要求也越来越高，本文将主要针对在船舶工程详细设计阶段，对船体结构重量的预估方法研究，进一步探索各种专业船舶设计软件在船体结构重量预估中的实际应用，希望可以有效提升船体结构的详细设计水平。

关键词：重量预估；详细设计；船体结构

前言：

对于大型船舶工程的制造生产来说，船体结构的重量重心位置是非常重要的技术指标，重心过高将会使得船体结构的稳定性下降，这也是本文研究的现实意义所在，希望可以从船舶工程的利益出发，对船体结构重量重心进行优化调整，进而减少船舶工程的造船成本，提高船舶的运行速度。

一、我国船舶工程船体结构重量的预估方法研究

（一）经验公式法

目前在我国的船舶工程，对船体结构重量进行预估测量时，可以采用经验公式法对母型船进行简单的变换进而得到船体钢结构的预估重量。这种方法的优势是操作简单，计算速度快，重点是针对设计初始基本参数不完整情况拥有优势。缺点就是考虑因素不够全面，针对预估人员的经验要求较高，参数选取标准不一，主观因素影响很大，精度定量上不能控制，实际应用中不完全具备指导详细设计的实用性。这类做法比较典型的有“静水力曲线近似计算法”、“m次方法”和“97.3法”“静水力曲线近似计算法”。经验公式法的基本原理同静水力曲线的近似计算公式大致相同，假设不同的方形系数，然后计算出相应的排水量曲线，选取其中某根能令其设计吃水和结构吃水时的空船重量相等的排水量曲线，获得预估空船重量[1]。

（二）EXCEL表格法

还可以通过EXCEL表格，手工填写结构中各个构件的重量、重心坐标等数据，而后编写公式计算获得结构的预估重量重心。但是EXCEL表格法也面临着一些实际问题，只能是计算，不能直接获取数据，也无法评判数据的好坏，即EXCEL表格只能利用公式求得输入数据的结果，数据的准确程度，是否含有大量的近似取值，都不能体现。而船体钢结构本身组织比较复杂，体积规模庞大，表格计算的特点又要求输入数据必须准确，所以要求实际数据的采集、输入工作量非常大，必须要多次复核以保证数据质量，存在耗时、费力的缺点。不过对于从业人员、设备的要求不高，可以适用于船舶工程各种复杂大型结构，很多船厂设计都还会使用的。

（三）三维立体模型软件

再者，利用三维建模软件，可以建立船体钢结构的空间三维模型，获得相应构件的几何参数，像是板厚、曲面面积、型材长度、截面特性，通过表格计算软件获得结果数据。三维建模估算法主要是对空间曲面和规律性较强，整体设计上对简单的构件具有优势，但是仍然以精度要求问题不能量化所要耗费的时间，计算周期比较长，针对机舱、舟首舵等空间复杂结构，还是不够灵活，使得三维立体模型软件主要是应用在货舱区的重量重心计算上面[2]。

（四）专业的船舶设计软件

而利用专门的船舶设计软件计算，比如说NAPA公司的NAPASTEEL软件。NAPA软件可以说是船舶工程设计三维建模与性能的计算软件，在软件系统中采用了3D技术，在船舶工程的初步设计、基本设计阶段提出了3DNAPA船舶模型的概念。在ONAPASTEEL系统中，可以将船体构建分为不同类型，展开高效分类处理。利用NAPASTEEL系统设计师能够在短时间内迅速完成结构初步设计和重量、成本计算，并生成供送审的技术文件和图样，让船舶工程的初步设计效率大幅度提高，获得任意分段的型材、板材型号、数量和重量，方便给出分段结构的重量重心，计算出整船的结构材料统计列表，让整船结构重量重心数据更为可靠。不过这种软件对操作人员的素质要求高，前期要有培训，即使可以熟练操作该软件，也必须具备整船结构专业知识，了解结构形式。

二、VBA-CAD软件开发在数据采集中的应用

NST-CAD预估法主要是指在重量统计计算中，采用高效数据分类的处理方法，进而达到提高效率，提高精度的效果。不过NST-CAD预估法对于数据的分类处理是在采集到CAD图纸结构信息以后实施的，但是逐项采集过程是比较低效和原始的，为了能够在基础数据采集阶段就达到对数据前期分类而提高工作效率的目的，还要引入VAB-CAD开发程序。

目前我国自行开发的VBA-CAD程序结构数据就属于自提取系统，提取系统的处理核心理念就是，根据CAD图纸中基础数据存储类型不同，分类提取估算中需要的数据。分类提取程序在Auto-CAD软件中的运行界面如下图1。

图1结构数据的自提取系统

三、NST-CAD预估法计算的应用价值

而在NST-CAD预估法的计算中，出现大量近似计算似乎会影响到预估结果的准确性，所以要提高近似计算水平。一般来说，船舶工程的船体结构构件都是板材为主，包含骨材，不同情况下板材、骨材的尺寸变化将会反映每个船体结构区位的参数变动，进而对计算结果造成影响，首先是研究货舱区的板材厚度变化，厚度变化是用毫米重量为单位的增加比例。从实践操作结构来看“横舱壁内纵实肋板”的重量变化最为明显，大约是原始重量的7.57%，而“主甲板”重量变化了2.55%，变化程度最低。如果变化程度的比值越高，就说明板厚的增加对重量的反应就越为明显。而实际上增加数值可以是由“横舱壁”结构106.2吨显示为最高值，意味着平均板厚增加，横舱壁变化对船重量变化的影响最大，因此可以在船舶工程详细设计阶段，获得预钢结构的重量数据，再辅以详细设计与修改，获得各级分项数据，从多角度来探析船体结构重量变化的因素所在[3]。

在获得近似数据以后，需要进一步对比生产设计标准要求数据，再经过差值重量的换算，可以知道哪些结构上预估计算上不准确，怎样才能通过“平均板厚”和“骨材”变化能够抵消，为今后修改工作以及船舶工程中获得近似替代计算值做好准备。在实际的船体结构重量预估计算时，还会遇到像是在做倾斜试验时，货舱底部有污泥，有污水，甲板上面有灰尘，都应当应用NST-CAD预估法估算，比如说在获得“双层底甲板”板厚变化1毫米，获得重量的增加值后，就需要再测量“双层底甲板”的污泥厚度就可以了，然后通过对比二者的密度，就可以换算出污泥的大体重量。

结论：

综上所述，随着我国船舶工程的详细设计水平不断提升，我们拥有了更多更为精确的船体结构重量预估手段，同时也希望可以继续优化创新详细设计阶段的分工设，减少各种船舶设计软件之间的技术阻碍，使得船体结构的详细设计能够形成一种流动的有机体，提高软件数据的完善性，使得当代的船舶工程可以创造出更大的社会生产价值。

参考文献：

[1]禹仲.基于详细设计的船体结构重量预估研究[D].大连理工大学，2015.

[2]陈静，张攀，肖汉林，周心桃，柯逸思，周巍.大型舰艇多学科设计优化船体结构子系统设计方法[J].中国舰船研究，2013，（05）：27-32.

[3]边文凤，吴忠友，白光辉，苗会文.等效爆炸载荷下FRP船体结构的性能比较[J].工程力学，2012，（S1）：176-179+189.