Loading article…
造船工学、または船舶工学は、船舶および構造物のエンジニアリング設計プロセス、造船、保守、運用に適用される機械、電気、電子、ソフトウェア、および安全工学の要素を組み込んだ工学分野です。 [ 1 ] [ 2 ]造船工学には、船舶のライフサイクルのすべての段階における基礎研究および応用研究、設計、開発、設計評価（分類）、および計算が含まれます。船舶の予備設計、詳細設計、建造、試運転、運用および保守、進水およびドック入りが主な活動です。改造（改造、再建、近代化、または修理による）される船舶についても、船舶設計計算が必要です。造船工学には、安全規制および損傷制御規則の策定、ならびに法定要件および非法定要件を満たす船舶設計の承認および認証も含まれます。
「船舶」という言葉には、主に船やボートを含むあらゆる種類の水上輸送手段が含まれますが、非排水型船舶、WIG船舶、水上飛行機も含まれ、これらは水上輸送手段として使用されているか、または使用できるものです。[ 3 ]造船の主要な要素については、次のセクションで詳しく説明します。[ 4 ]
静水力学は、船舶が水中で静止しているときに受ける条件と、船舶が浮力を維持する能力に関係します。これには、浮力、排水量、およびトリム（船舶の縦方向の傾斜の尺度）や安定性（風、波、または積載条件によって傾いた後に船舶が直立位置に戻る能力）などの他の静水力特性の計算が含まれます。[ 5 ]
液体の表面上にある浮体は、その動きに関して6つの自由度を持ち、これらは並進運動または回転運動に分類される。
縦方向の傾斜に対する縦方向の安定性は、重心と縦方向のメタセンター間の距離に依存します。言い換えれば、船が重心を維持する基準は、船の後部と前部から等距離に設定された重心の位置です。
物体が液体の表面に浮いている間も、重力が物体に下向きに作用します。浮いて沈まないようにするためには、静水圧と呼ばれる物体に反対方向の力が作用する必要があります。物体が平衡状態を保つためには、物体に作用する力は同じ大きさで同じ方向でなければなりません。この平衡状態は、自由に浮いている物体が静止した水中にいる場合にのみ存在し、他の条件が存在すると、これらの力の大きさが大きく変化し、物体が揺れる動きが生じます。[ 7 ]
浮力は物体の重さに等しく、言い換えれば、物体の質量は物体によって押し除けられた水の質量に等しくなります。これにより、物体の表面積と水面との間に平衡状態を作り出すために、物体には表面積と押し除けられた面積の積に等しい上向きの力が加わります。
ほとんどの状況下では、船舶の安定性は荒れた海で遭遇するあらゆる形態の制約や抵抗を克服することができます。しかし、横揺れの振動のバランスが上下動の振動の2倍になると、船舶は望ましくない横揺れ特性を示し、転覆を引き起こします。[ 8 ]
構造設計には、建造材料の選定、船舶の全体的および局所的な強度の構造解析、構造部品の振動、および海上運動中の船舶の構造応答が含まれます。船舶の種類によって、構造と設計は使用する材料の種類と量によって異なります。一部の船舶はガラス繊維強化プラスチックで作られていますが、大部分は鋼鉄製で、上部構造にアルミニウムが使用されている場合があります。[ 7 ]
船の全体構造は、4辺で支えられた鋼板からなる長方形のパネルで設計されています。広い表面積で組み合わされたグリレージは、船体、甲板、隔壁を形成すると同時に、フレームの相互支持も提供します。船の構造は、それ自体を保持するのに十分な強度がありますが、克服しなければならない主な力は、船体に歪みを生じさせる縦方向の曲げです。そのため、構造は材料ができるだけ船首と船尾に配置されるように設計されています。[ 7 ]
主要な縦方向の要素は、デッキ、外板、内底であり、これらはすべて格子状になっており、さらにこれらに縦方向に張力が加えられています。船の寸法は、座屈を防ぐために補強材の間に十分な間隔を確保できるように作られています。軍艦は、多くの現代の商船が採用している縦方向の補強システムを使用してきました。このシステムは、SS Great Easternなどの初期の商船で広く使用されていましたが、後に船体設計の別の概念である横方向のフレーム構造に移行し、より実用的であることが証明されました。このシステムは、その人気から後にタンカーなどの現代の船舶に実装され、その後、 イシャーウッド システムと呼ばれるようになりました。[ 7 ]
イシャーウッドシステムの構造は、デッキの側面と底面を縦方向の部材で補強することから成り、これらの部材はフレームと梁と同じ距離になるように十分に離れています。このシステムは、縦方向の部材を支える横方向の部材を約3～4メートル間隔で配置することで機能します。この広い間隔により、隔壁が提供する力の量をずらすことで必要な横方向の強度が得られます。[ 7 ]
構造は使用する材料によって異なります。鋼またはアルミニウムを使用する場合は、構造設計図またはモデルに従って、圧延、マーキング、切断、曲げ加工を行った後、プレートとプロファイルを溶接し、その後、組み立てと進水を行います。繊維強化プラスチックやガラス強化プラスチックなどの他の材料には、別の接合技術が使用されます。構造のプロセスは、安全性、構造の強度、流体力学、船の配置などのすべての要素を考慮しながら慎重に検討されます。考慮される各要素は、検討すべき材料と船の向きに関する新しい選択肢を提供します。構造の強度を考慮すると、船の衝突行為は、船の構造がどのように変化するかという観点から考慮されます。したがって、衝突された船に適用される材料は弾性特性を持つため、材料の特性が慎重に考慮されます。衝突された船によって吸収されたエネルギーは反対方向に偏向され、両方の船が跳ね返りのプロセスを経ることで、さらなる損傷を防ぎます。[ 9 ]
伝統的に、造船技術は科学というより職人技の域を出ませんでした。船の形状の適切性は、船の半分の模型や試作船を見て判断されていました。不格好な形状や急激な変化は欠陥があるとみなされ、好ましくないと考えられていました。これには、索具、甲板の配置、さらには備品まで含まれていました。「不格好」「ふっくらとした」「美しい」といった主観的な表現が、今日使われているより正確な用語の代わりに用いられていました。船は、当時も今も「フェア」な形状をしていると表現されます。「フェア」という言葉は、船首から船尾への滑らかな変化だけでなく、「正しい」形状をも意味します。明確な裏付けとなる分析がない状況で、特定の状況において何が「正しい」かを判断することは、今日に至るまで造船技術の本質的な部分を占めています。
最新の低コストデジタルコンピュータと専用ソフトウェア、そして実物大データ、曳航水槽データ、計算データを相関させるための広範な研究により、造船技師は船舶の性能をより正確に予測できるようになりました。これらのツールは、静的安定性（健全状態および損傷状態）、動的安定性、抵抗、推進力、船体開発、構造解析、グリーンウォーターモデリング、スラミング解析などに使用されます。データは、 RINA、米国造船技術者協会（SNAME）などが主催する国際会議で定期的に共有されています。計算流体力学は、ランダムな海域における浮体の応答を予測するために応用されています。
海洋環境での運用に伴う複雑さのため、船舶設計は、特定の分野の専門家である技術的に熟練した個人のグループ間の協力作業であり、多くの場合、主任船舶設計士によって調整されます。[ 10 ]この固有の複雑さは、利用可能な分析ツールが、航空機、自動車、さらには宇宙船の設計に使用されるツールよりもはるかに未発達であることを意味します。これは主に、船舶が稼働する必要のある環境に関するデータの不足と、海洋構造物に対する波と風の相互作用の複雑さによるものです。
船舶設計士とは、商用および軍用を問わず、船舶、ボート、その他の海洋船舶、および海洋構造物の設計、分類、調査、建造、および／または修理を担当する技術者であり、以下のものを含む。
これらの船舶の中には、人類が生み出した最大級の（スーパータンカーなど）、最も複雑な（航空母艦など）、そして非常に価値の高い可動構造物が含まれています。これらは通常、世界の原材料や製品を輸送する最も効率的な方法です。この規模の現代のエンジニアリングは、基本的にそれぞれの分野の専門家によって行われるチーム活動です。造船技師はこれらの活動を統合します。この要求の厳しいリーダーシップの役割には、管理能力と、さまざまな設計上の制約によるしばしば相反する要求を統合して目的に合った製品を生み出す能力が必要です。[ 11 ]
船舶設計士は、こうした指導的役割に加え、安全で経済的、環境に優しく、航海に適した設計を実現するという専門的な役割も担っています。これらの業務を遂行するためには、船舶設計士は工学の様々な分野に関する深い理解を持ち、最先端技術分野に精通している必要があります。また、科学者、弁護士、会計士、そして様々な分野のビジネスパーソンが提供するサービスを効果的に活用できる能力も求められます。
船舶設計士は通常、造船所、船主、設計会社やコンサルタント会社、機器メーカー、船級協会、規制機関（海事法）、海軍、政府などに勤務する。