船舶工程

船舶工程，又稱造船工程，是一個工程學科，其研究對象為工程設計過程、造船、船舶維護，及船隻的操作與構造。船舶工程涉及水上交通工具在整個壽命所有階段的基礎研究和應用研究、設計、開發、設計評估和計算。其涉及的主要方面為船隻的初步設計、詳細設計、建造、試驗、操作維護、下水和干船塢。船舶修改（比如改造、重建、現代化或維修）時，也需要設計計算。船舶工程還涉及安全規程和損毀控制規則的制訂，以及船舶設計的批准和認證，以滿足法規及非法規要求。

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## 研究內容

「船舶」一詞涵蓋了用於航運，或有能力用於航運的所有船隻，也包括了非排水設備，如地效飛行器和水上飛機等。船舶工程的主要研究方向包括：

### 流體靜力學

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流體靜力學關注船隻靜止在水中並保持漂浮狀態時所經受的條件。這涉及計算浮力（排水量）及其它流體靜力學特性，例如姿態（船體縱向傾斜程度）和船體穩定性（船體因風、海洋或裝卸條件而傾斜後，恢復自身直立姿態的能力）。

### 流體動力學

流體動力學關注船隻周圍的水流，如船體、船首和船尾，以及船身之外的部件如螺旋槳葉片或舵，或通過推進器隧道。

- 船隻阻力與推進——在水運動的阻力主要來自於船體周圍的水流。動力計算便基於此。
- 推進——在水中移動船隻，使用螺旋槳、推進器、噴水推進器、帆等。發動機類型主要是內燃機，也有一些船隻使用核動力船舶推進或太陽能進行電力驅動。
- 船隻運動——涉及船隻在航道中的運動，及其對海浪和風的反應。
- 操控性（機動性）——涉及對船隻位置和方向的控制和保持。

### 漂浮性和穩定性

液體表面上的浮體有6個自由度，它們分為平動和轉動兩種。

- 前後的平動被稱為推動。
- 橫向的平動被稱為搖擺。
- 垂直的平動被稱為起伏。
- 繞橫軸的轉動被稱為傾斜。
- 繞縱軸的轉動被稱為側傾或橫滾。
- 繞豎直軸線的轉動被稱為偏航。

縱向穩定性對應縱向傾斜，其穩定性取決於重力和定傾中心之間的距離。換句話說，船舶要儘量將其重心保持在船底的中間，不包括船首和船尾部分。

當一個物體漂浮於液體表面，它同樣受到重力將其向下拉。為了保持漂浮而不致沉沒，需要一個反向的力作用在物體上，這就是流體靜力學壓力。這些力作用在物體上，必須具有與物體重力相同的大小，且與物體運動路線相同的方向，這樣才能維持物體的平衡。這個關於平衡的描述只考慮了自由浮體在靜水中的情況，當出現其它條件時，這些力劇烈變化，從而導致物體出現搖晃運動。

對漂浮物體來說，浮力等於物體的重量，換句話說，物體的質量等於物體所排開的水的質量。這對物體增加了一個向上的力，其大小與物體排開的水的重量相同，作用在物體表面與水的表面之間，從而使物體達到平衡。

在大多數情況下，船隻在波濤洶湧的大海中，其穩定性能夠克服所遇到的任何形式的限制或阻力。然而，船隻具有橫滾的特性，這是人們所不希望的。如果橫滾的幅度兩倍於起伏的幅度，將導致該船傾復。

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### 構造

結構涉及到建造材料的選擇、船隻整體和局部受力的結構分析、結構部件的振動和船隻在航道上運動時的結構響應。使用什麼材料，以及使用多少，根據船的類型，結構和設計會有所不同。有些船會使用玻璃鋼，但絕大多數都會使用鋼鐵，上部構造可能還會使用一些鋁。船舶的完整結構被設計為由矩形板組成，這些鋼板的邊緣被焊在一起。大面積的格床連在一起便構成了船殼、甲板和隔板，它們和框架一起支撐起整個船。船的結構很堅固，足以將自身結合在一起。它需要克服的主要的力，是縱向彎曲在船體上產生的張力。其結構設計必須使材料儘可能靠兩端配置。主要的縱向因素是甲板、船體焊接和船底內部，它們都採用格床形式，並採用額外的縱向拉伸。為了防止扭曲，需要在船體增加隔板，而船的尺寸則取決於需要在這些隔板之間創造的空間。戰艦使用的一種縱向加強系統，已經被許多現代化商船採用。該系統曾被廣泛用於早期商船大東方號。後來則轉變為橫向框架結構，事實證明，船體設計的這個新概念更加實用。這種系統後來很流行，因此被用於現代化船舶如油輪，並被命名為伊舍伍德系統（Isherwood system）。伊舍伍德系統在船側和船底都採用是縱向加固甲板，這些框架和梁分得足夠開，因此是等距離的。該系統使橫隔板間隔3、4米來提供縱向支撐，這麼寬的間隔，使得可以通過艙壁提供的力量來替代橫向力。

### 布局

布局涉及概念藝術、布置與通道、防火、空間分配、人因工程學和裝載能力等。

### 建造

建造過程依賴於所使用的材料。如果使用鋼或鋁，則需要按照結構設計圖紙或模型，對板材進行軋制、劃線、機械加工、折彎 (金屬加工)及焊接，最後是安裝和下水。而其它材料，如纖維強化塑料和玻璃鋼則要使用粘合劑。建造過程需要同時考慮到所有因素，如安全性、結構強度、流體動力學及船舶的布局。每項考慮因素都能根據船隻的定位提出一個新的材料選擇。在考慮結構強度時，需要考慮船隻碰撞行為可能會造成船隻結構改變。因此，需要認真考慮材料的性能。考慮船舶撞擊，應使用具有彈性、能吸收能量的材料。並且在發生撞擊後，相撞船隻應向相反方向反彈，以防止進一步的損害。

## 科學與技術工藝

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過去，船舶工程涉及更多的是技術工藝而非科學。船舶的形狀是否合適，是通過觀察船舶的半模型或原型來判斷的。形狀笨拙或過渡生硬會被認為是缺陷。這包括傳動裝置、甲板布局，甚至錨系裝置。我們現在使用的精確術語，在過去則只能使用如「笨拙」、「完美」、「好」這些主觀描述。一艘船舶曾被描述為有一個「優美」的形狀，並且現在仍然這樣描述。「優美」這個詞，不僅意味著從船頭到船尾過渡平滑，還意味著這個形狀是「正確」的。而確定什麼是「正確」的，在過去的條件下，並不能作決定性的支持分析，而不象今天所擁有的船舶工程技術這樣。

現代低成本的數字電腦和專用軟體，結合對相關的全尺寸模型、牽引水箱和計算數據的廣泛研究，使船舶工程師可以更精確地預測船舶的性能。這些工具被用於穩定性條件（完整的和損壞的）、動態穩定性、阻力、動力估計、船體開發、結構分析、綠水模仿和撞擊分析。數據定期在國際會議中共享，會議的發起者是皇家船舶工程研究院、船舶工程師和海洋工程師社團等。計算流體力學被用來預測浮體在隨機海面的反應。

## 船舶工程師

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由於在海洋環境工作的複雜性，船舶工程需要不同團隊之間努力協作。這些團隊由特定領域的技術熟練的專家組成，往往通過一個作為領導的船舶工程師來協調。這種固有的複雜性還意味著，可用的分析工具比設計飛機、汽車，甚至太空飛行器都要少得多。這主要是由於缺乏船舶工作環境的數據，及船舶結構與波浪和風相互作用過於複雜。

船舶工程師也屬於工程師，他負責設計、建造和/或修理輪船、小船、其它船隻及海上結構，既有商用的又有軍用的，其中包括：

- 商船－油輪、液化天然氣船、貨船、散裝貨船、貨櫃船
- 客船－渡船、滾裝船、遊輪
- 軍艦－護衛艦、驅逐艦、航空母艦、兩棲船
- 潛艇和潛水器
- 破冰船
- 高速船－氣墊船、雙體船、水翼船
- 作業船－駁船、漁船、錨固拖拽供給船、平台供給船、拖船、領航船、救生船
- 遊艇、汽艇和其他遊樂船隻
- 鑽井平台及海底 (技術)油氣開發

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這些船隻中包括了人類所建造的最大的（例如超級油輪）、最複雜的（例如航空母艦）和昂貴的可移動結構。它們通常是在世界範圍運輸原材料和產品的最有效方式。這個規模的現代工程本質上是一個團隊活動，並由各個領域和學科的專家來領導。船舶工程師將這些活動結合起來。這要求領導角色具有管理素質和能力，將經常相互衝突的各種設計約束需求結合在一起，生產出滿足需求的產品。

除了這種領導角色外，船舶工程師還有一個專業職能——產出一個確保安全、經濟、環保和適航的設計。為滿足以上所有要求，船舶工程師必須了解許多工程分支，必須走在高技術領域的前沿。他或她必須能夠有效地利用科學家、律師、會計師和各種商務人員所提供的服務。

船舶工程師的雇主通常為造船廠、船舶所有者、設計諮詢公司、設備製造商、船級社、監管機構（海事法）、海軍和政府。