众文网1.船舶结构设计
一 概述 船舶结构设计是在满足船舶功能及总体性能要求的前提下，通过结构设计使船舶在寿命期间强度、刚度、稳定性等均能满足使用的要求。
船舶结构设计的内容决定了其设计计算任务的繁重。随着世界船舶市场对高技术含量、高附加值船舶需求的加大，各国船舶业间的能力竞争日趋激烈。
现代造船技术正朝着高度机械化、自动化、集成化、模块化、计算机化方向发展。为了缩短船舶产品研制开发周期、降低开发费用，提高船舶结构设计计算效率已提上日程。
技术的推动和需求的牵引使计算数值仿真技术得以迅速发展，在船舶结构设计中，以有限元为核心的CAE(Computer Aid Engineering)技术——计算辅助工程技术，越来越受到重视，各种各样的仿真方法和仿真工具正逐步得到应用。CAE技术已成为船舶结构设计中不可或缺的有力工具，是解决大量工程优化问题的基础。
为适应船舶工业的迅速发展，解决实际工程问题，迫切需要开展CAE在船舶结构设计中的应用及开发。二 船舶结构设计的特点及CAE发展的现状 船舶经常运营于高速、强水流、强气流等环境条件下，船舶设计结构不仅要考虑船舶总纵强度、局部强度、结构稳定性，还需要考虑振动、冲击、噪声等。
由此可见，船舶结构设计是一门技术含量高、设计难度大的学科领域。船舶结构设计的困难的另一个重要方面是由于船舶体积庞大，在很多场合下无法象汽车、飞机等一样做整体试验。
传统船舶结构设计是通过母型船改进，结合经验开展简化结构的定性分析计算完成，其结构设计、计算和分析包含大量的经验成分。船舶结构试验开展的困难，加大了船舶结构设计对数值仿真技术的依赖性，CAE技术成为船舶结构设计的重要工具。
CAE从字面上讲是计算机辅助工程，其概念很广，可以包括工程和制造业信息化的所有方面。但传统的CAE主要是指工程设计中的分析计算和分析仿真，其核心是基于现代计算力学的有限单元分析技术。
CAE起始于20世纪50年代中期，而真正的CAE软件诞生于70年代初期，到80年代中期，逐步形成了商品化的通用和专用CAE软件。近40年来，CAE技术结合迅速发展中的计算力学、计算数学、相关的工程科学、工程管理学与现代计算技术，从低效检验到高效仿真，从线性静力求解到非线性、动力仿真分析、多物理场耦合，取得了巨大的发展与成就。
在日趋全球化的市场氛围中，企业间的竞争将表现为产品性能和制造成本的竞争。而CAE在产品研发及创新设计中所显示出的无与伦比的优越性，使其成为现代化工业企业在日趋激烈的市场竞争中取胜的重要条件。
利用CAE软件，可以对工程和产品进行性能与安全可靠性分析，并对其未来的工作状态和运行行为进行虚拟运行模拟，及早发现设计缺陷，实现优化设计；在实现创新的同时，提高设计质量，降低研究开发成本，缩短研究开发周期。CAE与CAD/CAM等软件一起，已经成为支持工程行业和制造企业信息化的主要信息技术之一。
CAE软件技术的发展，促使CAE在各行各业得到了极为广泛的应用。目前，CAE软件已在国外广泛应用于核工业、铁道、石油化工、机械制造、汽车交通、电子、土木工程、生物医学、轻工、日用家电等工业和科学研究领域。
CAE在船舶行业也正迅速发展，目前各大舰船科研院所均引进CAE软件开展日常设计研究工作、各大船级社均采用CAE有限元软件进行自行规范计算的设计与研究。三 CAE技术在船舶结构设计中的应用 目前CAE技术在船舶结构设计中已使用非常广泛，已渗透到船舶结构设计计算中的每一个领域，下面分别介绍CAE在船舶结构各计算领域中的应用。
3.1 强度 强度是船舶结构设计首先要考虑的问题。船舶结构强度计算主要包含全船总纵强度计算和局部强度计算。
总纵强度是校核船体的纵弯曲计算波浪条件下船体各横剖面内纵向结构构件的应力，并将它与许用应力进行比较以判定船体的强度。传统的船舶总纵强度计算常常仅对典型横剖面进行计算，通常需要进行多次近似计算才可以得到最终结果，而采用全船有限元建模的方式，船舶总纵强度的计算变得较为容易。
图1是某船在六级海况总纵强度中垂状态计算结果。在全船有限元模型CAE计算下，全船的每一个模剖面任意构件的应力情况都可以在计算结果中反映。
目前由于全船总纵强度有限元计算需要耗费大量机时进行三维模型的建立，要开展全船总纵强度CAE计算需要较长周期，但如果全船三维CAD模型已经存在，船舶CAE计算将变得十分方便。 船体结构局部强度计算主要包括对底部结构强度计算、舷部结构强度计算、球鼻首结构强度计算、甲板结构强度计算、舱壁结构强度计算、主要设备基座强度计算等。
传统计算方法对船舶局部结构的计算通常建立在简化的梁系结构和板架结构来计算，计算模型也通常是平面模型，空间复杂结构常常无法完成计算。而运用CAE技术任意复杂的船舶局部结构，其强度问题都能迎刃而解，并且计算结果非常详实。
图2为船舶底部结构局部强度有限元计算结果。 图1 全船总纵强度计算 图2 底部结构强度有限元计算运用CAE技术进行船舶结构强度计算目前应用非常广泛，CAE已成为实际船舶。
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1.巴拿马型、好望角型、AFR-MAX，（性能略）
2.船舶动力装置是为保证船舶正常营运而设置的动力设备，是为船舶提供各种能量和使用这些能量，以保证船舶正常航行，人员正常生活，完成各种作业。船舶动力装置是各种能量的产生、传递、消耗的全部机械、设备，它是船舶的一个重要组成部分。 船舶动力装置包括三个主要部分：主动力装置、辅助动力装置、其他辅机和设备。（主要介绍略）
3.船舶设备 Marine Equipment 系指除船舶备件以外的任何用于船上的可移动但不带消费性质的物品。 主要包括 舵设备、锚设备、系泊设备、拖拽设备、起货设备、救生设备、关闭设备、管系、舾装件、舱底水系统、压载系统、日用水系统、消防设备、通风空调制冷设备等等。（主要内容略）
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航海是人类认识、利用、开发海洋的基础和前提，现代化船舶自然应运而生。 在人类社会发展的进程中，欧洲国家率先从封建主义进入资本主义时代，各门类科学技术取得突飞猛进的发展。
新的材料、机械、电气、电子、控制、铆焊等技术逐步应用于航海，形成了近代和现代航海科学技术。18世纪炼铁业的发展导致1787年制造出第一艘铁木船，1841年建造出第一艘铁质船。
1858年出现了钢，1866年开始用钢造船。1769年双向蒸汽机研制成功，1783年制成蒸汽动力轮船。
1876年内燃机研制成功，1903年则制成内燃机船。18世纪机械制造业发展与天文学结合，于1730年发明六分仪，1888年发现电磁波，1895年发明无线电报，尔后船舶采用无线电通信；1935年发明雷达，随即于1937年开始用于船舶探测目标、定位、导航与避碰；1957年发射第一颗人造地球卫星，1964年研制出卫星导航系统。
航海科学技术的不断进步，使航海从技艺逐步发展成为科学技术，从帆船时代进入机动船时代，从地文航海和天文航海时代进入现代电子航海时代。目前，现代化船舶按其用途主要有如下种类： （一）干货船（Dry Cargo Ship） 根据所装货物及船舶结构、设备不同，可分为： 1.杂货船（General Cargo Ship） 定期航行于货运繁忙的航线，以装运零星杂货为主的船舶。
这种船航行速度较快，船上配有足够的起吊设备，船舶构造中有多层甲板把船舱分隔成多层货柜，以适应装载不同货物的需要。 2.干散货船（Bulk Cargo Ship） 装载无包装的大宗货物的船舶。
依所装货物的种类不同，又可分为粮谷船（Grain Ship）、煤船（Collier）和矿砂船（Ore Ship）。这种船大都为单甲板、大统舱。
二、冷藏船（Refrigerated Ship） 专门用于装载冷冻易腐货物的船舶。船上设有冷藏系统，能调节多种温度以适应各舱货物对不同温度的需要。
三、木材船（Timber ship） 专门用以装载木材或原木的船舶。这种船舱口大，舱内无梁柱及其它妨碍装卸的设备。
船舱及甲板上均可装载木材。为防甲板上的木材被海浪冲出舷外，在船舷两侧一般设置不低于一米的舷墙和用于绑扎木材的立柱。
四.集装箱船（Container Ship） 集装箱船可分为部分集装箱船、全集装箱船和可变换集装箱船三种。
（1）部分集装箱船（Partial container ship）。仅以船的中央部位作为集装箱的专用舱位，其他舱位仍装普通杂货。
（2）全集装箱船（Full Container Ship）。指专门用以装运集袋箱的船舶。
它与一般杂货船不同，其货舱内有格栅式货架，装有垂直导轨，便于集装箱沿导轨放下，四角有格栅制约，可防倾倒。集装箱船的舱内可堆放三至九层集装箱，甲板上还可堆放多层。
（3）可变换集装箱船（Convertible Container Ship）。其货舱内装载集装箱的结构为可拆装式的。
因此，它既可装运集装箱，必要时也可装运普通杂货。 集装箱船航速较快，大多数船舶本身没有起吊设备，需要依靠码头上的起吊设备进行装卸。
这种集装箱船也称为吊上吊下船。 五、滚装船，又称滚上滚下船（Roll on/Roll off Ship） 滚装船主要用来运送汽车和集装箱。
这种船一般在船侧或船的首、尾有开口斜坡连接码头，装卸货物时，或者是汽车，或者是集装箱（装在拖车上的）直接开进或开出船舱，其优点是不依赖码头上的装卸设备，装卸速度快，可加速船舶周转。 六、载驳船（Barge Carrier） 又称子母船。
是指在大船上搭载驳船，驳船内装载货物的船舶。载驳船的主要优点是不受港口水深限制，不需要占用码头泊位，装卸货物均在锚地进行，装卸效率高。
目前较常用的载驳船主要有“拉希”型（Lighter Aboard Ship，缩写为LASH）和“西比”型（Seabee）两种。 七、客船 又称邮轮，主要用于旅客运输，一般亦可承载少量货物。
八、特种船 用于原油、化工、天然气等特殊运输要求的船舶。 20世纪下半叶，伴随整个科学技术的迅猛发展，航海科学技术的进步日新月异，其重要标志为： 1） 船舶大型化 在20世纪60年代，1万载重吨的船就可称为“万吨巨轮”，目前最大的散货船为30多万载重吨，特大型的油轮已达50万载重吨（ULCC）。
集装箱船近年来也越来越大，我国已有11000标准箱的集装箱船（中远亚洲号）投入营运，大型豪华客轮达到14万吨级。 2） 船舶专业化 长期以来海洋运输船舶主要是客船、普通货船和油船。
二十一世纪的今天，集装箱船、滚装船（Roll-Roll）、液化气船（LNG、LPG）等专业化特种船舶迅速增多。 3） 船舶高速化 为了与高速公路、高速铁路运输竞争，近20年来，30节（1节为每小时航行1海里，1海里等于1.852公里）以上的小型高速气垫船、水翼船、水动力船、喷气推进船快速研制并大量投入使用。
当前的集装箱船速度可达25-30节，大约比过去的普通货船快一倍。 4） 船舶自动化 20世纪70年代计算机在船上广泛应用，从船舶在机舱设置集中控制室到出现无人值班机舱和驾驶台对主机遥控遥测，。
4.船舶结构设计常用的方法
船舶结构优化设计，就是要寻求合理的结构形式和适当的构件尺寸，使船体结构在满足强
度、刚度、稳定性及频率等条件下具有较好的力学性能、工艺性能、经济性能及使用性能。
其结构设计方法大致有以下几种：
1.经典优化设计的数学规划方法
2.多目标模糊优化设计方法
3.基于可靠性的优化设计方法
4.智能型优化设计方法
5.船舶结构性能综合评估
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