船舶建筑与结构综述

第六章船舶建筑与结构

§1船体的构成一.船体概貌为了保证船舶具有一定的浮性及特定的外部形状,船体结构必须有可靠的水密性和足够的坚固性,同时船体结构又应符合船的使用要.所以,船体是一个浮在水上的复杂空间结构.。图所示的为15000t级多用途货船的船体构成。船体结构分为主船体和上层建筑两大部分。船体结构大都用钢材，由板材和型材组合成板架结构。下面分主船体及上层建筑两部分进行讨论。

二.主船体主船体是指船舶的连续露天甲板(通常为上甲板)以下的部分。主船体内的舱室划分，沿船长方向通过水密横舱壁进行纵向划分；沿型深方向通过甲板或平台作出竖向划分；沿船宽方向通过纵向舱壁进行横向划分。主船体是由船壳(船底及船侧)和上甲板围成的具有特定形状的空心体，是保证船舶具有所需浮力，航海性能和船体强度的关键部分，一般用于布置动力装置、装载货物、储存燃油和淡水，以及布置其他各种舱室。为保障船体强度、提高船舶的抗沉性和布置各种舱室，通常设置若干强固的水密横舱壁或纵舱壁，并根据需要加设中间甲板（平台板）。在船长方向分为：首部、中部、尾部及其间过渡部分。而后每一部分又都是由船底、舷侧、甲板等形成的水密的空心结构。在空心结构内部，又有由甲板和舱壁分隔成许多舱室。安装在船宽方向的舱壁称为横舱壁，首、尾端的横舱壁称为首尖舱壁和尾尖舱壁。沿船长方向的舱壁称为纵舱壁。为了加强首、尾端，在首端安有首柱，在尾端安有尾柱。图为某货船的船中部的结构。其船底结构由船底外板（包括平板龙骨、船底板和舭列板）、中内龙骨、旁内龙骨及肋板等构件组成。船体舷侧结构是由舷侧外板（包括舷侧板、舷顶列板）、肋骨、舷侧纵桁等构件组成。

船体甲板结构是由甲板板、横梁、甲板纵桁等构件组成。舱壁则由舱壁板和扶强材组成。肋板、肋骨及横梁一般都布置在同一个平面上，并相互连接成肋骨框架（一般用三角肘板连接）。肋骨之间的距离称为肋距。三.上层建筑上层建筑位于上甲板以上，由左、右侧壁，前、后端壁和各层甲板围成，其内部主要用于布置各种用途的舱室，如工作舱室、生活舱室、贮藏舱室、仪器设备舱室等。上层建筑的大小、层楼和型式因船舶用途和尺度而异。当此结构自一舷伸至一舷，或其侧壁自外板内缩不大于4%船宽的称为上层建筑。通常，在首部的上层建筑称为首搂，在尾部的上层建筑称为尾搂，在中部的上层建筑称为桥搂。在甲板上的结构物其侧壁并非外板的延续部分或不能算作外板延续部分的称为甲板室。§2船体结构的形式一.船体结构用钢材船体结构基本上是由板和装焊在板上的纵横交错结构件（船体中通常称为骨架）组成的。形成骨架的型钢有：船体结构的骨架还有T型材，设计者按需要决定其面板和腹板的尺度。船体结构中的骨架粱大多由轧制型钢、T型材或折边钢板等制成，并与焊接的船体钢板形成组合梁，共同抵抗弯曲。轧制型钢(扁钢、角钢、球扁钢、I型钢、槽型钢等)国家已批量生产，设计时只是按要求选择型号。T型材最合理地使用材料而得到最高的强度，且能使结构具有良好的对称性，二.船体结构型式1、横骨架式横向钩件布置较密，纵向钩件布置较疏。2、纵骨架式横向钩件布置较疏，纵向钩件布置较密。3、混合骨架式横向钩件与纵向钩件布置疏密程度相差不大。。§3船体结构的强度概念船体结构中的骨架构件，一些仅承受拉伸或压缩荷重的作用，如支柱、桁架斜杆等，这类构件剖面的设计比较简单，并且已在材料力学课程中充分地讨论过了；另一些(船体结构中绝大部分构件)主要承受弯曲，即作为“梁”使用。船体结构抵抗外力作用和变形的能力称船体结构的强度与刚度。重力和水压力是船体结构所承受的主要外力。重力在船体上的分布与结构本重、设备重量、载货重量及燃油、水等有关，水压力在船体上的分布与船的浮态和形状有关。一.总强度整个船的重力和浮力是大小相等、方向相反，是平衡的。但沿船长的重力曲线和浮力曲线是形状不同的。向上的浮力与向下的重力的差值就相当于作用于船体上的载荷。这个载荷可使整个船体发生沿船长的弯曲变形，称为总纵弯曲。通常把中间上拱、两端下垂的弯曲称为“中拱”；把中间下垂、两端上翘的弯曲称为“中垂”，把船体看作为一组变断面的空心粮，其抵抗纵向弯曲的能力称为船体的总纵强度。船体结构抵抗总扭曲的能力称为船体的总扭曲强度。二.局部强度仅涉及船体个别结构的变形和破坏称为局部变形和破坏。船体结构必须要有足够的能力抵抗这些局部性变形和破坏，称为船体的局部强度。有时，局部变形和破坏会导致全船的破坏。三.横向强度有一些船体变形是发生在横向的。船体结构必须要有足够的能力抵抗这些横向变形和破坏，称为船体的横向强度。保证船体结构具有足够的强度、刚度和稳定性是设计者应首先考虑的问题。§4主船体结构板架结构——船体中由交叉布置的骨材（或板材）和覆盖在其上的板构成的一种典型平面结构。板架结构的四周都受到相邻板架的支持。常见的有甲板板架、舷部板架、船底板架以及横舱壁、纵舱壁、平台板等。从构造上分析，船体结构可看作板架的组合。各板架在整个船体中的部位和作用不同，受力情况也不同。在研究方法上，常把覆盖在骨材或板材上的板，用具有一定宽度的带板与其一起组成理想化的交叉梁系进行研究。对于用板材加强的板架（如双底结构），有时也化成结构上的正交异性板来研究。一.船底结构1、船体外板钢板的长边沿船长方向布置，形成沿船长的一长列，称为列板。船底中心处的一列板称为平板龙骨，又称为K行板。沿舭部延伸的一列板称为舭列板。在平板龙骨和舭列板之间的列板统称为船底板。同一列板上各钢板间的连接缝称为端接缝，两相邻列板间的连接缝称为边接缝。2、单底结构(1)横骨架式单底结构横骨架式单底结构的骨架由肋板（包括水密肋板、组合肋板实肋板）和内龙骨（包括中内龙骨、旁内龙骨）等构件组成。其肋板在每一肋位上装设，中内龙骨高度与肋板高度相同。(2)纵骨架式单底结构纵骨架式单底结构中增加了大量纵骨，中内龙骨做成连续的，每隔几档肋距设置一肋板。中内龙骨与肋板相交处高度不一定相同。3、双底结构双底是指船底有外底和内底两层，它由船底外板、内底板、内底边板及双底内的纵横骨架等构件组成。双底结构有利于防底部进水，双底还可装载燃油、淡水、压载水等，也有利于增加底部强度。双底高度至少为700mm。分为横骨架式双底结构和纵骨架式双底结构。二.舷侧结构舷侧结构是连接船底与甲板的侧壁。它直接受到舷外水压力、碰撞力、波浪冲击力、冰块的冲击与挤压等作用。船体舷侧结构是由舷侧外板（包括舷侧板、舷顶列板）和加强它的骨架（肋骨、强肋骨、舷侧纵桁）等构件组成。

舷侧外板最上面的一列板称为舷顶列板。它比一般的舷侧板厚。舷侧结构也有横骨架式结构和纵骨架式结构。三.甲板结构船体甲板结构是由甲板板、横梁、强横梁、舱口端梁、甲板纵桁、甲板纵骨等构件组成。甲板结构也有横骨架式结构和纵骨架式结构。1、甲板板甲板边板顺着甲板边线。甲板板的端接缝不能放在大开口的端部附近。舱口角部位的甲板需加厚。2、横骨架式甲板结构的骨架横骨架式甲板结构的骨架包括普通横梁、舱口端梁、甲板纵桁等，局部区域设置强横梁。3、纵骨架式甲板结构的骨架纵骨架式甲板结构的骨架包括甲板纵骨、强横梁、舱口端梁、甲板纵桁等。强横梁支持甲板纵骨，甲板纵桁支持强横梁。4、货舱口围板结构

货舱口围板的结构由纵向和横向围板、水平加强垂直加强筋等构成。四.水密舱壁结构舱壁结构型式有两类，一类是由钢板和扶强材等组成的平面舱壁，另一类是由压成槽形的钢板组成的槽形舱壁。水密舱壁上是不容许设置通道的（必要时要加水密门）。首防撞舱壁距首垂线不小于0.05Ls或10m，取其小者，但不得大于0.08Ls。油舱与水舱之间必须设置水密的隔舱，水密隔舱的长度一般是一个肋距。五、船首端结构船首端结构（首柱）一般是三种型式：①铸钢件或锻钢件首柱，它一般用于较大的船舶。②厚钢板在加工中弯曲成首柱形状，再焊接成首柱，它一般用于较小的船舶。③水线上部为厚钢板焊接、水线下部为铸钢件或锻钢件的混合型首柱。内河船上还采用圆钢、钢管首柱。六、船尾端结构尾柱结构过去一般是由舵柱、螺旋桨柱和尾柱底骨组成。现在有的没有舵柱了。双娓鳍船的尾部结构为厚钢板焊接而成。七、基座结构八、烟囱结构§5上层建筑结构特点若上层建筑与主船体一样地弯曲，则要求很强，通常称为强力上层建筑。若上层建筑极差小，不参加总纵弯曲，结构较弱，通常称为轻型上层建筑。压筋板结构和铝合金板可作为上层建筑的围壁结构。要使它们不参加总强度，可用横贯全船的通道把它们分成几小段。压筋板作为上层建筑的围壁结构，重量轻，施工简单，减少了焊接工作量，也减少了焊接变形。而且它具有纵向收缩性，能减少总纵弯曲对上层建筑的影响。压筋板结构分为开式和闭式两种，开式在全长压通，制造简单；闭式在两端逐渐过度到平板结构。在桥楼或长首楼、长尾楼的端部，因结构突然中断，易产生破坏，因此在一定范围内结构适当加强。通常，将端部侧壁向外以圆弧形过渡到舷顶列板，并适当加强端壁前后上甲板的甲板边板与舷顶列板的厚度。

载重线法规对船首的最小高度有明确的规定，首楼甲板的宽度与长读还应满足设备布置的需要。上层建筑在端部转弯处一般是圆弧形，便于人员走动和搬运物品。船舶设计中的进水点影响上层建筑结构：①上层建筑中不进水的那一层的围壁结构必须是水密的，它上面的门和窗也必须是水密的。②上层建筑刚进水的那一层的围壁结构中的门槛是较高的，目的是抬高进水点，使进水角变大。③上层建筑中连接上下层的梯口一般设置在纵中剖面附近，目的是使进水角变大。一、船体结构中的型材

船体结构中的骨架构件，一些仅承受拉伸或压缩荷重的作用，如支柱、桁架斜杆等，这类构件剖面的设计比较简单，并且已在材料力学课程中充分地讨论过了；另一些(船体结构中绝大部分构件)主要承受弯曲，即作为“梁”使用。轧制型钢(扁钢、角钢、球扁钢、I型钢、槽型钢等)国家已批量生产，设计时只是按要求选择型号。T型材最合理地使用材料而得到最高的强度，且能使结构具有良好的对称性，二、衡量型材剖面材料利用的指标

型材削面设计应符合下列要求：

①具有足够的强度、刚度和稳定性；

②应尽可能符合牛产与工艺方面的要求，如制造简单、施工质量高等；

§6船体结构中的型材的使用③满足特殊结构与营运使用的要求，例如，为保证货舱容积而对型材剖面高度的限制、因腐蚀磨损而对最小板厚的要求等；

④剖面内材料分布合理，使所得结构质量最轻，这是船体结构工程师的重要目标之一。

衡量型材剖面内材料分布合理程度的指标有：剖面利用系数和比面积。

大家知道，梁材受横荷重作用时，其抵抗弯矩的能力由剖面的最小剖面模数保证。剖面的最小剖面模数W1为：

这就相当于由两个离中和轴的距离为｜Z｜max、面积各为0．5F的翼板组成的剖面(图9-2)。可是，这种型材实际上是无法制造的，因为它没有连接两翼板的腹板，所以称为“理想”削面。设“理想”剖面的剖面模数为Wo，则：式中：n——剖面的利用系数。

在剖面积和高度相同的情况下，系数n能表明材料在剖面中分布的合理程度，即n值越大，所设计的型材剖面越接近于“理想”剖面，剖面材料的利用率就越高。由于剖面高度对剖面模数有很大影响，当剖面高度h不同时，n值的大小就不能反映材料在剖面中的利用率了。三、船体结构强度与质量、工艺的矛盾1、船体结构强度与质量的矛盾

保证船体结构具有足够的强度、刚度和稳定性是设计者应首先考虑的问题。但这并不是说构件选得愈大、愈坚固愈好，强度过剩会造成质量增加，钢材消耗多，建造成本提高并减少船舶载运能力。我们希望在保证船体结构满足强度、刚度和稳定性的前提下，力求减轻结构质量，节约材料。2．结构与工艺性的矛盾

在结构设计时，还必须考虑到结构工艺性要求。好的结构工艺性包括：考虑到船舶所有部位的装配和施焊的可能性；尽可能扩大分段建造范围，缩短造船周期，改善作业条件，提高造船质量；尽量简化零部件结构，减少规范品种，尽可能采用标准件；尽量减少零部件的曲线外形，结构上的开孔、切角等应符合标准尺寸或常取尺寸；考虑船体结构维修与保养的可能性与方便性等。

3，结构与使用性的矛盾

结构布置与构件尺寸要符合使用要求。例如，货船的结构布置要便于装卸货物；旅客及船员住舱应有足够净空高；支柱的布置应不妨碍总体布置及机器设备安装的要求等。因此结构设计要与总体、轮机和设备的设计密切配合，树立整体观念，保证船舶各方面都有良好的性能。此外，根据使用要求在选取构件尺寸时要合理地考虑锈蚀、磨损余量及其他特殊加强，以降低维修费用和提高使用年限。

船体结构的图纸有多种；基本结构图、中横剖面图、外板展开图和各个部位或分段的结构图。

（一）由于船体结构基本上有板材构成的，而板材的厚度比船体结构的主要尺度小得多，因此板材的的剖面采用图线表示。了解船体结构和看懂船体结构图纸，就必须先了解图线的型式及应用范围。１、粗实线应用范围：板材、骨材剖面简化线。设备、部件的可见轮廓线。２、细实线应用范围：可见轮廓线、尺寸线或尺寸界线、型线、基线、引出线、接缝线、剖面线、规格线。３、粗虚线应用范围：不可见板材简化线。４、轨道线应用范围：主船体结构内不可见水密板材简化线。§7船体结构设计的图示方法５、细虚线应用范围：不可见轮廓线。不可见次要构件的简化线。６、粗点划线应用范围：可见主要构件的简化线。钢索、绳索、链索的简化线。７、细点划线应用范围：中心线、可见次要构件的简化线、开口对角线、转圆线、液舱范围线、折角线。８、粗双点划线应用范围：不可见主要构件的简化线。９、细双点划线应用范围：非本图构件可见轮廓线。假想构件可见轮廓线。肋板边线。工艺开口线。１０、折断线应用范围：构件断裂边界线。（二）船体结构的图纸举例１、基本结构图（侧面、尾部）２、基本结构图（上甲板、尾部）３、中横剖面图４、外板展开图（