一种船舶艏部工件的设计方法及船舶与流程

1.本技术属于船舶建造领域，特别是涉及一种船舶艏部工件的设计方法及船舶。


背景技术：

2.船舶在航行过程中，船舶艏部是位于船舶最前端的结构，承受着船舶最大的水压力、波浪冲击力和外部碰撞力。一方面，船舶的艏柱需要有足够的刚度和强度，保证船舶的结构稳定性以应对较大水流冲击；另一方面，部分对航速有要求的船舶，为了保证良好的快速性，船舶首部一般会采用较小角度的外板结构，有利于减小船舶阻力。
3.在船舶建造过程中，需要兼顾以上因素来设计船舶艏部工件，由于艏部线型设计导致艏部平台面及横剖面的截面形状瘦削，造成施工空间有限，施工困难，同时为了保证艏部结构的强度，通常采用工件作为船舶艏柱的建造材料，工件通常为实心铁件，在满足结构要求的同时带来了结构重量和负荷较大的问题，为达到船舶轻量化的目的，提高船舶运输效率、降低能耗成本，需控制工件的设计范围，使其在满足艏部所有狭小空间施工的基准上，降低所使用工件的总重量，以达到船舶整体航行效能提升。


技术实现要素：

4.鉴于以上所述现有技术的缺点，本技术的目的在于提供一种船舶艏部工件的设计方法及船舶，用于解决现有船舶艏部工件轻量化程度较低、结构强度较差，无法同时均衡结构轻量化和结构强度设计因素的问题。
5.为实现上述目的及其他相关目的，本技术提供一种船舶艏部工件的设计方法，所述设计方法包括以下步骤：
6.s1：分别以横剖面、纵剖面、水平剖面对船舶艏部的结构进行表达，确定船舶艏部的结构线型；
7.s2：建立判别船舶艏部狭小空间施工的作业基准；
8.s3：确定所述横剖面和所述水平剖面中属于狭小空间的边界；
9.s4：确定所述边界与船体外板的相交点，根据所述相交点确定工件的样条曲线；
10.s5：根据所述样条曲线建立工件内部的挖空基准，对工件内部进行挖空，完成工件的设计。
11.在一个实施方式中，步骤s1中，
12.所述横剖面的剖面及剖面跨距以肋位及肋位间距为剖面基准；
13.所述水平剖面的剖面跨距以船体甲板和船体平台为剖面基准；
14.所述纵剖面为船舶艏部工件的中纵剖面。
15.在一个实施方式中，步骤s2中，
16.所述作业基准包括极限施工宽度w
min
和所述纵剖面的最小边界长度l
min
。
17.在一个实施方式中，步骤s3中，
18.以s2中确定的所述作业基准为标准，将尺寸小于所述作业基准的区域确定为所述
水平剖面和所述横剖面的狭小空间的内部边界。
19.在一个实施方式中，步骤s3包括排除部分所述狭小空间的步骤：根据步骤s2获得的狭小空间，所述狭小空间的纵向尺寸小于li区域不属于狭小空间，其中，li为纵向优化参数。
20.在一个实施方式中，步骤s4中，
21.所述样条曲线在折角处设有圆弧过渡，且所述折角处与船体内部构件设有避开距离。
22.在一个实施方式中，所述圆弧过渡的圆弧半径不小于200mm；所述避开距离设为200mm～300mm。
23.在一个实施方式中，步骤s5中，所述挖空基准包括挖空角度基准α和挖空深度基准d，其中，
24.所述挖空角度基准α的选取范围为15
°
～25
°
；
25.所述挖空深度基准d的选取以挖空后的水平及垂直平直段尺寸为50mm～150mm为基准。
26.在一个实施方式中，在船舶艏部工件的第一挖空区域，所述挖空角度基准α以相邻挖空区域之间的水平连接板为中心面上下对称设置；
27.在船舶艏部工件的第二挖空区域，所述挖空角度基准α以相邻挖空区域之间的垂向连接板为中心面两侧对称设置。
28.本技术还提供一种船舶，包括船舶艏部工件，所述船舶艏部工件按照如以上技术方案所述的船舶艏部工件的设计方法设计完工。
29.与现有技术相比，本技术提供的技术方案具有以下有益效果：
30.1、本技术的船舶艏部工件的设计方法通过优化工件设计流程，分别以横剖面、纵剖面、水平剖面多个方向对船舶艏部的结构进行表达，获取精确线型结构；建立狭小空间施工的作业基准，合理预判操作区域，便于后期艏部工件的施工安装；分别以横剖面和水平剖面确定狭小空间的边界、以边界与船体外板的相交点确定工件的样条曲线，并对样条曲线进行拟合，以避免结构尖角或干涉，更贴合船型设计；根据所述样条曲线建立工件内部的挖空基准并根据挖空基准对工件进行减重处理，使其在满足艏部所有狭小空间施工的基准上，有效的降低共工件的重量。
31.2、应用了通过本技术设计方法完工的艏部工件的船舶同时满足结构轻量化和结构强度双重标准，尤其是针对船舶艏部工件为铸钢件的情况，挖空设计极大的减轻了船舶艏部的重量，降低了船舶的运输成本，提升了船舶运输效能。
附图说明
32.图1为本技术的设计方法流程图；
33.图2为船舶艏部工件的剖面示意图；
34.图3为图1的局部放大示意图；
35.图4为船舶艏部工件的主视图；
36.图5为图1沿frc的剖面示意图；
37.图6为图1沿z4的剖面示意图；
38.图7为本技术设计完成后的工件结构示意图。
39.附图标记说明：
40.1、工件。
具体实施方式
41.以下通过特定的具体实例说明本技术的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本技术的其他优点与原理。本技术还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本技术的精神下进行各种修饰或改变。
42.需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本技术的基本构想，图式中仅显示与本技术中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
43.为了方便描述，现定义坐标系如图2和图4所示，定义xy平面为水平剖面所在平面，定义xz平面为横剖面所在平面，定义yz平面为纵剖面所在平面。x轴方向指示横向，y轴方向指示纵向，z轴方向指示垂向。
44.本实施例公开了一种船舶艏部工件的设计方法，参见图1，设计方法包括以下步骤：
45.s1：分别以横剖面、纵剖面、水平剖面对船舶艏部的结构进行表达，确定船舶艏部的结构线型；
46.s2：建立判别船舶艏部狭小空间施工的作业基准；
47.s3：确定横剖面和水平剖面中属于狭小空间的边界；
48.s4：确定边界与船体外板的相交点，根据相交点确定工件的样条曲线；
49.s5：根据所述样条曲线建立工件内部的挖空基准，对工件内部进行挖空，完成工件的设计。
50.在上述实施过程中，本技术提供了一种船舶艏部工件的设计方法，通过优化工件设计流程，分别以横剖面、纵剖面、水平剖面多个方向对船舶艏部的结构进行表达，获取精确线型结构；建立狭小空间施工的作业基准，合理预判操作区域，便于后期艏部工件的施工安装；分别以横剖面和水平剖面确定狭小空间的边界、以边界与船体外板的相交点确定工件的样条曲线，并对样条曲线进行拟合，以避免结构尖角或干涉，更贴合船型设计；建立工件内部的挖空基准并根据挖空基准对工件进行减重处理，使其在满足艏部所有狭小空间施工的基准上，有效的降低共工件的重量，减小了行驶中的船舶负载，提高了船舶运输效能。
51.在一种可选的实施方式中，在步骤s1中，分别对横剖面、剖面和纵剖面的剖切位置进行合理限定，以满足在获取船舶艏部精确的线型结构的基础上，尽可能地减少剖切面数量，达到最小计算量，具体地，
52.横剖面的剖面及剖面跨距以肋位及肋位间距为剖面基准，即横剖面的剖切位置与船舶肋位的数量和位置一一对应，获取的横剖面数据能够反应船舶关键位置垂向线型结构；
53.水平剖面的剖面跨距以船体甲板和船体平台为剖面基准，即水平剖面的剖切位置
与船体的多个甲板和甲板之间的多个平台的数量和位置一一对应，获取的水平剖面数据能够反应船舶关键位置横向线型结构；
54.纵剖面为船舶艏部工件的中纵剖面，即以船舶艏部工件中心面为纵剖面。
55.以lng船的艏部铸钢件设计为例，参见图2：首先根据该lng船的艏部结构的线型，以横剖面、纵剖面、水平剖面对船舶艏部结构进行表达；图2为该船侧视剖面示意图，图中仅显示船舶艏部瘦削区域的结构。首先，确定瘦削区各层平台及甲板所在平面z值的大致范围为z
max
至z
min
，以便于获得水平剖面位置；其次，确定瘦削区各肋位所在范围为fra至frh；最后，获取此区域内的所有平台、甲板、肋位对应位置的的剖面图。
56.在一种可选的实施方案中，在步骤s2中，判别船舶艏部狭小空间施工的作业基准至少包括极限施工宽度w
min
和纵剖面的最小边界长度l
min
，极限施工宽度w
min
根据施工人员的可通行宽度确定，极限施工宽度w
min
是能够保证施工人员正常操作的最小宽度，纵剖面的最小边界长度l
min
根据保证铸钢件与主船体结构对接的操作性及保证铸钢件的强度确定，最小边界长度l
min
是保证船舶艏部工件结构强度的限定参数，同时需便于工件与主船体进行焊接。
57.继续以lng船的艏部铸钢件设计为例，狭小空间的判别标准以一个成年男性戴安全帽能够施工为参考，以400mm作为极限施工宽度w
min
，同时为保证lng船受铸钢件的强度，铸钢件的中纵剖面处的最小边界长度l
min
设置为400mm。
58.应当理解的是，极限施工宽度w
min
并不以具体数值400mm作为狭小空间的作业基准判别原则，极限施工宽度w
min
根据不同船型和不同施工状态可以选取400mm～600mm之间的任意宽度值，如400mm、450mm、500mm、550mm、600mm等。同样地，中纵剖面处的最小边界长度l
min
也根据船舶艏部工件的尺寸、材质和结构而有所差异。
59.在一种可选的实施方案中，在步骤s3中，以s2确定的作业基准为标准，将尺寸小于作业基准的区域确定为水平剖面和横剖面的狭小空间的内部边界。例如当极限施工宽度w
min
＝400mm时，以此为标准，确定船舶艏部所有水平面船体宽度小于400mm的边界，确定横剖面中艏柱上下小于400mm的边界，以此确定狭小空间的基本区域范围。
60.在上述实施过程中，考虑到施工中操作人员的手臂的伸展长度等因素，即使某些区域符合狭小空间的初步判定原则，但是实际操作中，该区域并不因其空间狭小而导致无法施工，需将符合实际施工要求的部分狭小区域去除掉，以优化判定标准。因此，步骤s3还包括排除部分狭小空间的步骤：根据步骤s2获得的狭小空间基本区域范围，判定狭小空间的纵向尺寸小于li区域不属于狭小空间，li为纵向优化参数，li以操作人员的臂展长度为参考预设。
61.继续以lng船的艏部铸钢件设计为例，根据判别狭小空间施工作业的基准及工件中纵剖面处的最小边界长度l
min
确定工件的边界点。根据对各横剖面、纵剖面、水平剖面进行尺寸校核，以极限施工宽度w
min
＝400mm、最小边界长度l
min
＝400mm为示例，对船舶艏部所有水平面船体宽度小于400mm的边界、横剖面中艏柱上下横向宽度小于400mm的边界，以及确保工件的中纵剖面处的最小边界长度为400mm，确定最后得到工件的水平剖面的z值范围为z0至z7，参见图2，横剖面的肋位范围为fra+400(即fra-frb之间)至frf+300(即frf-frg之间)，至此完成狭小空间的区域范围精确判定过程。
62.在一种可选的实施方案中，在步骤s4中，确定所述边界与船体外板的相交点，将所
有相交点进行线性拟合，形成一条光滑的样条曲线，即工件的样条曲线。样条曲线在每个折角处进行圆滑处理，避开尖角等应力集中的结构，且每个折角处与船体内部构件之间设有避开距离，防止施工时工件与船体内部构件产生干涉，导致无法安装到位。
63.在上述实施过程中，对圆滑处理的过渡圆弧半径进行限定，通常圆弧半径不小于200mm；避开距离设为200mm～300mm。
64.继续以lng船的艏部铸钢件设计为例，确定各边界与船体外板的相交点，对所有点进行线性拟合，形成一条光滑的样条曲线，样条曲线在所有折角处圆弧过渡，圆弧半径不小于200mm。参见图2，为保证工件顶部折弯位置结构强度，在z值为z7处圆弧半径数值可大于均值，例如设置为250mm；对于工件中部折弯位置，z值为z4平台上转角半径可进一步增加，例如设置为300mm，根据每个折弯处线型结构和承载强度的不同要求，圆弧半径可分别设置为不同数值，例如，z值为z2平台下转角半径为200mm，x值为frd处转角半径为350mm。另外，所有折角均需避开船体内部构件，常规避开距离为200mm～300mm，参见图2，z值为z7处避开构件200mm，针对工件其他折弯位置，在z值为z4处避开构件300mm，在z值为z2处避开构件250mm，x值为frd处避开构件250mm，根据该进一步优化的样条曲线再次确定工件的边界。
65.在一种可选的实施方案中，在步骤s5中，挖空基准至少包括对角度参数和深度参数的确定：挖空角度基准α和挖空深度基准d，参见图2～3，其中，
66.挖空角度基准α的选取范围为15
°
～25
°
，为保证铸钢件的整体强度，挖空角度基准α不宜选取过小，否则容易在挖空后产生尖角，在满足强度要求的基础上最大程度对铸钢件进行挖空为原则；
67.挖空深度基准d的选取以挖空后的水平及垂直平直段尺寸为50mm～150mm为基准，为避免挖空后产生尖角，挖空深度基准d可以选取比w
min
更小的数值，以保证结构强度。
68.在上述实施过程中，参见图2，将挖空区域分为第一挖空区域和第二挖空区域，以便于进行挖空结构参数设计，在船舶艏部工件的第一挖空区域，挖空角度基准α以相邻挖空区域之间的水平连接板为中心面上下对称设置，第一挖空区域包括水平挖空区域及其上方的区域，可以理解的是，依据与船体连接的构件种类进行划分的原则，与平台及甲板连接区域属于第一挖空区域；在船舶艏部工件的第二挖空区域，挖空角度基准α以相邻挖空区域之间的垂向连接板为中心面两侧对称设置，第二挖空区域包括纵向位置变化的区域，可以理解的是，依据与船体连接的构件种类进行划分的原则，与横舱壁连接的区域属于第二挖空区域；在第一挖空区域和第二挖空区域的过渡处，可以根据结构实际形式自由设置连接板处挖空角度的分配。
69.继续以lng船的艏部铸钢件设计为例，根据确立的工件内部挖空基准，对该工件内部进行挖空，在保证铸钢件的整体强度的基础上，为最大程度对铸钢件进行挖空，以20
°
为挖空基准，同时为了避免工件内部形成尖角，保证挖空后的平直段宽度及高度最小值在50mm～150mm范围内，控制挖空深度，在水平变化区的挖空深度均可将挖空深度选取为400mm，在纵向变化区由于工件的厚度较低，挖空深度从250mm逐渐降低至100mm，交线处需进行圆角处理，常规水平面交线圆弧半径选取200mm，横剖面交线半径选取50mm，除纵向变化区由于挖空深度较小导致水平交线圆弧半径选取100mm，其余部分的水平交线半径皆选取200mm，所有横剖面交线半径皆选取50mm。在水平变化区，常规以相邻两档水平面沿上层水平面以下10
°
，下层水平面以上10
°
，两层水平面之间的两侧外板以内10
°
进行铸钢件挖
空，在本实施例中，z值为z6、z5、z4、z3、z2处皆采用该常规挖空基准挖空，在z值为z1处由于边界的交线角度，采用平面以上20
°
为挖空基准；在纵向变化区，常规以相邻两档横剖面沿艉横剖面向艏10
°
，艏横剖面向艉10
°
，两横剖面之间的两侧外板以内10
°
进行铸钢件挖空，本实施例中在x值为frd、fre、frf位置皆采用该基准进行挖空，艏部边界处朝艉20
°
进行挖空。挖空后的船舶艏部工件模型三维图如图7所示，至此，该船舶艏部工件设计全部完成。
70.综上，本技术提供一种船舶艏部工件的设计方法及船舶，本技术设计方法用于指导设计船舶艏部需采用铸钢件形式工件的边界确定，在船舶建造过程中，既满足施工要求保证艏部结构的强度，同时又能达到船舶轻量化的指标，降低工件的重量；应用了通过本技术设计方法完工的艏部工件的船舶同时满足结构轻量化和结构强度双重标准，挖空设计极大的减轻了船舶艏部的重量，降低了船舶的运输成本，提升了船舶运输效能。所以，本技术有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
71.上述实施例仅例示性说明本技术的原理及其功效，而非用于限制本技术。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本技术的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本技术所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本技术的权利要求所涵盖。

技术特征：
1.一种船舶艏部工件的设计方法，其特征在于，所述设计方法包括以下步骤：s1：分别以横剖面、纵剖面、水平剖面对船舶艏部的结构进行表达，确定船舶艏部的结构线型；s2：建立判别船舶艏部狭小空间施工的作业基准；s3：确定所述横剖面和所述水平剖面中属于狭小空间的边界；s4：确定所述边界与船体外板的相交点，根据所述相交点确定工件的样条曲线；s5：根据所述样条曲线建立工件内部的挖空基准，对工件内部进行挖空，完成工件的设计。2.根据权利要求1所述的船舶艏部工件的设计方法，其特征在于，步骤s1中，所述横剖面的剖面及剖面跨距以肋位及肋位间距为剖面基准；所述水平剖面的剖面跨距以船体甲板和船体平台为剖面基准；所述纵剖面为船舶艏部工件的中纵剖面。3.根据权利要求1所述的船舶艏部工件的设计方法，其特征在于，步骤s2中，所述作业基准包括极限施工宽度w
min
和所述纵剖面的最小边界长度l
min
。4.根据权利要求1所述的船舶艏部工件的设计方法，其特征在于，步骤s3中，以s2中确定的所述作业基准为标准，将尺寸小于所述作业基准的区域确定为所述水平剖面和所述横剖面的狭小空间的内部边界。5.根据权利要求4所述的船舶艏部工件的设计方法，其特征在于，步骤s3包括排除部分所述狭小空间的步骤：根据步骤s2获得的狭小空间，所述狭小空间的纵向尺寸小于li区域不属于狭小空间，其中，li为纵向优化参数。6.根据权利要求1所述的船舶艏部工件的设计方法，其特征在于，步骤s4中，所述样条曲线在折角处设有圆弧过渡，且所述折角处与船体内部构件设有避开距离。7.根据权利要求6所述的船舶艏部工件的设计方法，其特征在于，所述圆弧过渡的圆弧半径不小于200mm；所述避开距离设为200mm～300mm。8.根据权利要求1所述的船舶艏部工件的设计方法，其特征在于，步骤s5中，所述挖空基准包括挖空角度基准α和挖空深度基准d，其中，所述挖空角度基准α的选取范围为15
°
～25
°
；所述挖空深度基准d的选取以挖空后的水平及垂直平直段尺寸为50mm～150mm为基准。9.根据权利要求8所述的船舶艏部工件的设计方法，其特征在于，在船舶艏部工件的第一挖空区域，所述挖空角度基准α以相邻挖空区域之间的水平连接板为中心面上下对称设置；在船舶艏部工件的第二挖空区域，所述挖空角度基准α以相邻挖空区域之间的垂向连接板为中心面两侧对称设置。10.一种船舶，其特征在于，包括船舶艏部工件，所述船舶艏部工件按照如权利要求1～9中任一项所述的船舶艏部工件的设计方法设计完工。

技术总结
本申请提供了一种船舶艏部工件的设计方法及船舶，设计方法包括：S1：分别以横剖面、纵剖面、水平剖面对船舶艏部的结构进行表达，确定船舶艏部的结构线型；S2：建立判别船舶艏部狭小空间施工的作业基准；S3：确定横剖面和水平剖面中属于狭小空间的边界；S4：确定边界与船体外板的相交点，根据相交点确定工件的样条曲线；S5：根据样条曲线建立工件内部的挖空基准，对工件内部进行挖空，完成工件的设计。通过本申请设计方法制造的船舶艏部工件同时满足结构轻量化和结构强度双重标准，尤其是针对船舶艏部工件为铸钢件的情况，极大的减轻了船舶艏部的重量，降低了船舶的运输成本，提升了船舶运输效能。舶运输效能。舶运输效能。


技术研发人员：刘美妍 周科伟 范清水 徐淑琴 罗萍萍 万志敏 张莉莉 刘以高 王云鹏 毛炜逸
受保护的技术使用者：江南造船（集团）有限责任公司
技术研发日：2023.04.18
技术公布日：2023/7/25