111 專技高考高等考試 造船工程技師 船體結構學 考古題詳解

核心觀念

本題考查現代大型商船中「貨櫃船（Container Ship）」之船體結構形式、力學特徵與構件佈置原則，為專技高考「船體結構學」的高頻核心試題。解題所需之理論與規範核心觀念如下：

1. 薄壁開口斷面之扭轉力學（Torsion of Thin-Walled Open Sections）：

• 貨櫃船為求裝卸效率與甲板裝載容量，開口率（$\text{Hatch Opening Ratio} = B_{\text{hatch}} / B$）通常高達 $70\% \sim 85\%$。
• 結構斷面屬於開口薄壁截面，聖維南扭轉常數（St. Venant Torsional Constant, $J$）極小，極抗扭剛度低。在斜浪（Oblique Waves）航行時，船體受波浪扭矩作用，會產生顯著的翹曲扭轉（Warping Torsion）與雙彎矩（Bimoment），導致艙口角隅處承受巨大的翹曲正應力（Warping Normal Stress）。

2. 總體縱向強度（Hull Girder Longitudinal Strength）：

• 由於甲板大部分被切除，承受中垂（Sagging）與中拱（Hogging）之有效截面集中於狹窄的舷側甲板條（Deck Strip）、連續式艙口圍板（Continuous Hatch Coaming）及雙層底。
• 為維持規範要求的最小斷面模數（Section Modulus, $Z$），需配置高張力鋼（High-Tensile Steel, 如 AH36、DH36、EH40）與極厚鋼板。

3. 複合結構構件之功能分工：

• 雙舷側與扭轉箱（Double Skin & Torsion Box）：將舷側與甲板組合成閉口箱形梁，提升全船極限抗扭與抗剪能力。
• 雙層底（Double Bottom）：提供底部縱向抗彎強度、支撐貨櫃底部點載重，並作為壓載水艙（Ballast Water Tank）與油艙。
• 縱向肋骨系統（Longitudinal Framing System）：全船中段主受力區全面採用縱向骨架，以提高甲板與船底在縱向彎曲壓應力作用下的挫曲強度（Buckling Strength）。

解題方法

本題為標準的「結構繪圖與特點說明」申論題型。解題應分為兩大步驟：

1. 繪製標準典型雙舷側貨櫃船舯剖面圖（Midship Section Diagram）：

• 正確標示各構件位置：艙口圍板、扭轉箱、上甲板、外舷板、內舷板、二甲板（若有走道）、內底板、外底板、中內龍骨（Center Girder）、旁內龍骨（Side Girder）、縱肋（Longitudinals）及貨櫃導軌（Cell Guides）。

2. 依力學與功能切入結構特點說明：

• 幾何特徵（超大艙口開口率）。
• 抗扭構造（上部舷側扭轉箱之受力機制）。
• 橫向與縱向支撐體系（雙層底與雙舷側空間利用）。
• 應力集中與細部防疲勞設計（艙口角隅構造）。
• 骨架系統與材料選擇（縱向骨架與高張力鋼）。

貨櫃船舯剖面結構圖

在試卷上作答時，應以對稱剖面、比例適當且標註清晰之工程示意圖呈現：

 [ 連續式艙口圍板 ] (Continuous Hatch Coaming)
 | |
 | 貨 櫃 | <=== 露天甲板貨櫃 (Deck Cargo)
 +---------+ +---------+
 | 扭轉箱 | | 扭轉箱 | <=== 上甲板 (Upper Deck)
 | Torsion | | Torsion | 舷頂列板 (Sheer Strake)
 | Box | | Box |
 +----+----+ +----+----+
 | 通 | 雙 | | 雙 | 通 |
 | 道 | 舷 | | 舷 | 道 |
 | / | 側 | 貨 櫃 | 側 | / | <=== 外舷板 (Outer Shell)
 | 走 | 壓 | 艙 內 | 壓 | 走 | 內舷板 (Inner Shell)
 | 廊 | 水 | | 水 | 廊 |
 | | 艙 | 裝 載 | 艙 | |
 +----+----+-------+----+----+ <=== 內底板 (Inner Bottom)
 | 雙層底 |
 | Double Bottom | <=== 實體肋板與縱骨配置
 +---------------------------+ <=== 船底板 (Bottom Plating)
 |
 [ 中內龍骨 Center Girder ]

(註：艙內繪有貨櫃導軌支撐系統 Cell Guides，底層各板均密佈縱向骨架 Longitudinal Stiffeners)

結構構件拆解與特點分析

本題非選擇題，依題目要求將貨櫃船舯剖面之核心結構構件與其功能特性拆解分析如下：

1. 上甲板極大開口（Ultra-Large Deck Openings）：

• 特點：貨櫃船甲板僅保留兩側極窄之甲板條，艙口寬度占船寬 $75\%$ 以上。

核心觀念

本題考查盒形截面的彎曲正應力。截面對稱，彎曲時中性軸通過截面形心，正應力按距中性軸的距離線性變化：

其中 $I$ 為截面對中性軸的二次面積矩，$c$ 為中性軸至最外緣的距離。

解題方法

依考卷圖示，截面外高為 $300\ \mathrm{mm}$，上、下板厚各 $20\ \mathrm{mm}$，因此腹板淨高為 $260\ \mathrm{mm}$。圖示頂板寬度為 $300\ \mathrm{mm}$；底部標示的腹板厚度為 $30\ \mathrm{mm}$，依圖計入四片腹板。題目文字所列「外部寬度 $260\ \mathrm{mm}$」與圖示標註不一致，本解依原圖的 $300\ \mathrm{mm}$ 寬度及 $260\ \mathrm{mm}$ 腹板淨高計算。

截面上下對稱，故中性軸位於高度中央：

以中性軸平行於頂、底板，利用平行軸定理計算 $I$。上下板各自的面積為 $300\times20\ \mathrm{mm^2}$，板中心至中性軸距離為 $140\ \mathrm{mm}$；每片腹板的高度為 $260\ \mathrm{mm}$：

核心觀念

本題評量船舶動力軸系（Propeller Shafting）在傳遞主機扭矩時之**扭轉剪應力（Torsional Shear Stress）**分析，涉及材料力學與船體結構學中傳動軸的基本力學原理：

1. 功率與扭矩關係式： 引擎輸出功率 $P$、軸扭矩 $T$ 與旋轉角速度 $\omega$ 之關係為： $P = T \omega = T \cdot \left(\frac{2\pi n}{60}\right)$ 其中 $n$ 為主機轉速（$\mathrm{rpm}$）。
2. 中空圓軸斷面之極慣性矩（Polar Moment of Inertia, $J$）： 對於外半徑 $r_o$、內半徑 $r_i$ 之空心圓軸： $J = \frac{\pi}{2}\left(r_o^4 - r_i^4\right) = \frac{\pi}{32}\left(d_o^4 - d_i^4\right)$
3. 扭轉剪應力公式（Torsion Formula）： 彈性限度內，圓軸斷面上任一點距中心軸半徑 $\rho$ 處之剪應力為： $\tau = \frac{T \rho}{J}$ 最大剪應力 $\tau_{\max}$ 恆發生於軸截面之最外緣表面處（即 $\rho = r_o$）： $\tau_{\max} = \frac{T r_o}{J}$

解題方法

本題為純扭矩作用下的空心圓管應力計算題，解題切入點分為三個標準步驟：

步驟一：計算傳動軸承受之扭矩 $T$

將已知功率與轉速代入功率公式，並進行單位換算（$1\ \mathrm{kW} = 10^3\ \mathrm{W} = 10^3\ \mathrm{N\cdot m/s}$）： $\omega = \frac{2\pi \times 1700}{60} = \frac{170\pi}{3}\ \mathrm{rad/s} \approx 178.024\ \mathrm{rad/s}$ $T = \frac{P}{\omega} = \frac{2000 \times 10^3}{\frac{170\pi}{3}} = \frac{6000 \times 10^3}{170\pi} \approx 11234.46\ \mathrm{N\cdot m} = 11.2345 \times 10^6\ \mathrm{N\cdot mm}$

步驟二：計算螺槳軸截面幾何性質

題目給定軸外徑 $d_o = 200\ \mathrm{mm}$、管壁厚 $t = 10\ \mathrm{mm}$：

• 外半徑：$r_o = \frac{d_o}{2} = 100\ \mathrm{mm}$
• 內徑：$d_i = d_o - 2t = 200 - 2(10) = 180\ \mathrm{mm}$
• 內半徑：$r_i = \frac{d_i}{2} = 90\ \mathrm{mm}$

計算極慣性矩 $J$：

核心觀念

本題評量船體結構三大架構系統（橫向架構、縱向架構、複合架構）中之**橫向架構系統（Transverse Framing System）**的基本定義、構件配置、力學受力行為及工程應用特徵。

1. 結構構件配置與間距特性：

• 橫向架構系統以緊密間距（通常約 $600 \sim 800\text{ mm}$）佈設橫向骨材，構成閉合之橫向環狀框架（Transverse Ring）。
• 主要橫向構件包含：甲板橫樑（Deck Beam）、舷側肋骨（Side Frame）、船底肋板（Floor）。
• 縱向僅佈設維持基本對齊與支撐所需之少數深桁（如中龍骨 Center Girder、側龍骨 Side Girder、甲板縱桁 Deck Girder）。

2. 結構力學受力特性：

• 橫向強度（Transverse Strength）優異：由甲板橫樑、舷側肋骨與肋板所構成的封閉剛架，能極佳地抵抗橫向水壓、貨物側壓、乾塢支乘（Docking）反力及橫傾力矩。
• 總縱強度（Longitudinal Strength）效率較差：縱向連續加勁材甚少，船體梁（Hull Girder）受總縱彎曲力矩（Longitudinal Bending Moment）時，主要僅由甲板板與船底板承受拉伸與壓縮應力。
• 挫屈強度（Buckling Strength）較弱：板格之次要加勁材方向垂直於總縱彎曲的主應力方向（即板格受平行於短邊之壓應力，縱向跨距大），板之臨界挫屈應力 $\sigma_{cr}$ 較低： $\sigma_{cr} = k \frac{\pi^2 E}{12(1-\nu^2)} \left(\frac{t}{s}\right)^2$ （其中 $s$ 為骨材間距，$t$ 為板厚，$k$ 為挫屈係數）。為防止甲板或底板提早發生彈性挫屈，必須大幅增加板厚，導致船體結構重量增加。

解題方法

本題為標準之圖文申論題，作答時切入架構應分五大層次進行：

1. 繪製典型中剖面橫向架構圖：清楚呈現閉合框架與主要構件標註。
2. 說明構件組成與排列特性：點出「橫密縱疏」的幾何特徵。
3. 力學強度與挫屈行為分析：對比橫向強度與總縱彎曲抗力。
4. 建造施工與空間利用優缺點：分析加工便利度、結構空重及艙容利用率。
5. 適用船型與部位：指出其適用的船長限制（通常 $L < 90\text{ m} \sim 120\text{ m}$）與特殊艙區。

選項分析

本題為專技高考申論繪圖題，非選擇題，故無各別選項。考生應以條理化之技術報告格式完整呈現圖面與論述。

解題技巧

1. 考場快速手繪要訣：

• 畫出單舷或對稱雙舷之中剖面（Midship Section）。
• 務必畫出「肘板（Bracket）」的連接細節（樑膝肘板 Beam Knee、金吉肘板 Bilge Bracket），以強調橫向框架是剛性連接之「閉合環（Closed Ring）」。
• 縱向構件（如中龍骨、甲板縱桁）在剖面上應以斷面矩形／T型表示，並註明「間隔大、數量少」。

2. 答題口訣歸納：

• 配置特徵：「橫密縱疏、環形閉合」。
• 強度特性：「橫強縱弱、防挫需增厚」。
• 工程取捨：「小船施工快、大船鋼重重」。

3. 避坑指南：

• 切勿與「縱向架構系統（Longitudinal Framing System）」混淆；切勿在橫剖面圖的甲板與外板處畫出密密麻麻的縱向球角鋼或縱骨（Longitudinals）。

【答案】

一、船體橫向架構系統示意圖（典型橫剖面）

在考試試卷上，繪製典型單甲板雙層底之橫向架構中剖面圖如下：