長(zhǎng)上層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有關(guān)問(wèn)題的探討

朱云翔

(海軍駐上海地區(qū)艦艇設(shè)計(jì)研究軍事代表室，上海200011)

船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要是在滿足總體設(shè)計(jì)要求下，綜合考慮安全性、適用性、整體性、工藝性和經(jīng)濟(jì)性等因素，解決船體結(jié)構(gòu)形式、構(gòu)件尺度與連接等設(shè)計(jì)問(wèn)題，保證船體具有恰當(dāng)?shù)膹?qiáng)度和良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能［1］。船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要有確定性設(shè)計(jì)方法和結(jié)構(gòu)可靠性分析法兩大類。目前完全基于概率論的結(jié)構(gòu)可靠性全概率的精確分析方法還存在諸多難點(diǎn)，因此確定性設(shè)計(jì)法是常規(guī)設(shè)計(jì)中所采用的主流方法。雖然在大型或非常規(guī)船型的船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中直接計(jì)算法已經(jīng)越來(lái)越多用來(lái)輔助設(shè)計(jì)，但是方便快捷、高效率的規(guī)范設(shè)計(jì)法仍然被廣泛采用?？傮w設(shè)計(jì)總是希望船體結(jié)構(gòu)盡可能輕。其中，上層建筑設(shè)計(jì)的強(qiáng)弱對(duì)船總體承載能力不起決定性作用，但對(duì)船體結(jié)構(gòu)總重量和重心高度影響很大。而船舶上層建筑布局變化多端，且在結(jié)構(gòu)連續(xù)性方面情況十分復(fù)雜，所以在上層建筑設(shè)計(jì)時(shí)，究竟選擇強(qiáng)力結(jié)構(gòu)還是輕型結(jié)構(gòu)，還需具體分析探討。

某型具有典型長(zhǎng)上層建筑結(jié)構(gòu)船舶，其主船體有三道連續(xù)甲板，前后貫通的長(zhǎng)艏樓(01甲板)為強(qiáng)力甲板，02甲板(長(zhǎng)度約為船長(zhǎng)的53%)及以上甲板是兩舷不到舷邊的甲板室。為了減輕船體重量和降低船體重心的高度，在船中區(qū)域02甲板下設(shè)了三道橫向過(guò)道分?jǐn)嘣搶娱L(zhǎng)甲板室，使02甲板下的甲板室在船中區(qū)域長(zhǎng)度不超過(guò)0.15倍船長(zhǎng)，而02甲板縱向連續(xù)設(shè)置，其在過(guò)道頂部分當(dāng)做彈性節(jié)頭，因此，01甲板以上都按照CCS《鋼質(zhì)海船入級(jí)與建造規(guī)范》輕型上層建筑結(jié)構(gòu)要求進(jìn)行常規(guī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。該船在一次1萬(wàn)多n mile航程的連續(xù)航行期間，遭遇十多次大風(fēng)浪(最高11級(jí)陣風(fēng))，返港后檢查發(fā)現(xiàn)上層建筑結(jié)構(gòu)有8處裂紋，均出現(xiàn)在橫向過(guò)道區(qū)域。分析其原因主要有兩方面:一是長(zhǎng)上層建筑未按照強(qiáng)力上層建筑設(shè)計(jì)，而整個(gè)02甲板縱向骨架都連續(xù)，其受總縱彎曲影響而平均應(yīng)力水平較高(平均應(yīng)力水平約120 MPa，高于01甲板應(yīng)力水平);二是甲板室之間的連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不當(dāng)，橫向過(guò)道頂?shù)目v向構(gòu)件(短縱桁)與其前后甲板室頂縱向構(gòu)件對(duì)齊，但短縱桁趾端未做軟化處理(見(jiàn)圖1)，應(yīng)力集中情況較嚴(yán)重。產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中(單元合成應(yīng)力最大達(dá)到342 MPa)。

圖1 過(guò)道頂短縱桁結(jié)構(gòu)

為了解類似這樣不完全分?jǐn)嗟拈L(zhǎng)甲板室對(duì)縱強(qiáng)度的影響，本文對(duì)若干船舶上層建筑的結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析。

1 長(zhǎng)上層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

對(duì)上述船建立整體三維有限元模型見(jiàn)圖2，其縱向范圍約為75%船長(zhǎng)，包含了該區(qū)域內(nèi)主船體和上層建筑所有主要船體結(jié)構(gòu)，網(wǎng)格沿船殼橫向按縱骨間距(650 mm左右)或類似的間距劃分。通過(guò)該模型得出各甲板的總體平均應(yīng)力水平，同時(shí)也可以為局部的細(xì)網(wǎng)格有限元強(qiáng)度分析提供準(zhǔn)確的邊界條件。

圖2 整體有限元模型

計(jì)算得到01甲板最弱剖面的平均正應(yīng)力約為106 MPa，其正應(yīng)力分布云圖見(jiàn)圖3。

圖3 01甲板應(yīng)力云圖

02甲板最弱剖面的平均正應(yīng)力約為120 MPa，其正應(yīng)力分布云圖見(jiàn)圖4。

圖4 02甲板應(yīng)力云圖

由此可見(jiàn)，02甲板應(yīng)力水平比作為強(qiáng)力甲板設(shè)計(jì)的01甲板高，其相當(dāng)程度地參與總強(qiáng)度。按式(1)分析其參與總強(qiáng)度的程度。

式中:η——上層建筑參與船體總縱彎曲的有效程度;

σ0——不考慮上層建筑時(shí)強(qiáng)力甲板的應(yīng)力，MPa;

σp——強(qiáng)力甲板的實(shí)際計(jì)算應(yīng)力，MPa;

σ100——上層建筑100%有效時(shí)的強(qiáng)力甲板應(yīng)力，MPa。

從圖2的整體有限元模型中去除01甲板以上上層建筑結(jié)構(gòu)后，計(jì)算得到01甲板最弱剖面的平均正應(yīng)力約為129 MPa，其正應(yīng)力分布云圖見(jiàn)圖5。

圖5 不考慮上層建筑時(shí)01甲板應(yīng)力

該計(jì)算結(jié)果與采用規(guī)范的彎和船體梁剖面模數(shù)計(jì)算的結(jié)果是一致的。將圖2的整體有限元模型中02甲板下的外圍壁在橫向過(guò)道處相連，計(jì)算得到02甲板完全參與總縱強(qiáng)度后01甲板最弱剖面的平均正應(yīng)力約為66 MPa，其正應(yīng)力分布云圖見(jiàn)圖6。

圖6 02甲板完全參與總強(qiáng)度時(shí)01甲板應(yīng)力

因此，可以計(jì)算得到01甲板以上上層建筑參與總縱彎曲的有效程度約為36%。

若考慮01甲板以上上層建筑有效分?jǐn)?，既將三個(gè)橫向過(guò)道頂部的02甲板分?jǐn)?或設(shè)計(jì)為符合規(guī)范要求的伸縮接頭)，可計(jì)算得到01甲板最弱剖面的平均正應(yīng)力約為120 MPa，其正應(yīng)力分布云圖見(jiàn)圖7，主船體變形圖見(jiàn)圖8。

圖7 02甲板分?jǐn)鄷r(shí)01甲板應(yīng)力

圖8 02甲板分?jǐn)鄷r(shí)主船體變形

可見(jiàn)，雖然01甲板以上甲板室被橫向過(guò)道分?jǐn)?，上層建筑?duì)總剖面模數(shù)貢獻(xiàn)有限，但由于02甲板的連續(xù)，總縱彎曲最大應(yīng)力位置由01甲板上移到了02甲板。因此，02甲板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要謹(jǐn)慎對(duì)待，特別要注意結(jié)構(gòu)的連續(xù)性。該船上層建筑出現(xiàn)的8處結(jié)構(gòu)裂紋正好都出現(xiàn)在橫向過(guò)道頂部區(qū)域的02甲板構(gòu)件。對(duì)3個(gè)橫向過(guò)道區(qū)域的有限元模型進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，細(xì)網(wǎng)格有限元模型(見(jiàn)圖9)的單元大小約為50 mm×50 mm，計(jì)算得到圖1所示的橫向過(guò)道頂部短縱桁端部單元中心合成應(yīng)力約為342 MPa(許用應(yīng)力為352.5 MPa)。

圖9 局部細(xì)化網(wǎng)格模型

為了進(jìn)一步分析研究，對(duì)6型具有長(zhǎng)度超過(guò)0.15倍船長(zhǎng)的上層建筑且按輕型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)情況進(jìn)行了分析，并選擇其中的3型船進(jìn)行有限元分析。圖10為船型1的有限元模型，其02甲板按強(qiáng)力甲板設(shè)計(jì)，03甲板下甲板室長(zhǎng)約為0.50倍船長(zhǎng)，采用橫骨架式輕型結(jié)構(gòu)。計(jì)算結(jié)果，其01甲板、02甲板和03甲板平均應(yīng)力水平分別約為96、154和76 MPa，符合主船體與上層建筑的應(yīng)力分布規(guī)律，03甲板開(kāi)口角隅細(xì)網(wǎng)格計(jì)算的合成應(yīng)力約為211 MPa。

圖10 船型1有限元模型

圖11 為船型2有限元模型，其01甲板為強(qiáng)力甲板，02甲板和03甲板下甲板室長(zhǎng)分別約為0.72倍和0.41倍船長(zhǎng)，采用橫骨架式輕型結(jié)構(gòu)，分別設(shè)有一道和兩道橫向過(guò)道結(jié)構(gòu)。計(jì)算結(jié)果為02甲板84 MPa，02甲板寬度縮小，過(guò)度處細(xì)網(wǎng)格計(jì)算的合成應(yīng)力約為150 MPa。

圖11 船型2有限元模型

圖12 為船型3有限元模型，其01甲板為強(qiáng)力甲板，02甲板下有3個(gè)圍壁獨(dú)立的甲板室，長(zhǎng)度分別達(dá)到0.32或0.20倍船長(zhǎng)，之間走道相隔，甲板相連，且在甲板寬度上有階梯形縮進(jìn)。計(jì)算結(jié)果為01甲板和02甲板平均應(yīng)力水平分別約為81和99 MPa。

圖12 船型3有限元模型

圖13 所示的02甲板凹陷處細(xì)網(wǎng)格計(jì)算的合成應(yīng)力約為367 MPa。

圖13 局部細(xì)化模型

由以上分析可知，長(zhǎng)上層建筑若未采取充分有效的措施使其盡可能少地參與總強(qiáng)度，則會(huì)產(chǎn)生比主船體強(qiáng)力甲板高的應(yīng)力水平，在此情況下一些結(jié)構(gòu)連續(xù)不佳部位的應(yīng)力集中情況就有可能十分嚴(yán)重，必須予以高度重視。

2 長(zhǎng)上層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

一般來(lái)說(shuō)，為了充分利用船體材料，對(duì)于在船中區(qū)域長(zhǎng)度超過(guò)0.15倍船長(zhǎng)，且不小于本身高度6倍的長(zhǎng)上層建筑，宜設(shè)計(jì)為強(qiáng)力上層建筑。如強(qiáng)力上層建筑參與總縱強(qiáng)度程度較高，則可將其作為船體梁上翼板——強(qiáng)力甲板設(shè)計(jì)。橋樓式(甲板延伸至兩舷)長(zhǎng)上層建筑必須設(shè)計(jì)為強(qiáng)力結(jié)構(gòu)。

強(qiáng)力上層建筑，除滿足局部強(qiáng)度外，還需要滿足總縱強(qiáng)度要求，其甲板和側(cè)壁骨架形式應(yīng)盡可能采用縱骨架式，所有縱向構(gòu)件應(yīng)盡可能保持連續(xù)，側(cè)壁與下方甲板縱壁或外板不重合時(shí)，應(yīng)在下方甲板對(duì)應(yīng)設(shè)置縱向桁材。強(qiáng)力上層建筑應(yīng)具有適當(dāng)?shù)膭偠仁怪芘c主船體保持有效的同向彎曲，其設(shè)計(jì)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注參與總縱強(qiáng)度的有效度問(wèn)題和連接與過(guò)渡部位的應(yīng)力集中問(wèn)題，并據(jù)此合理優(yōu)化主船體與強(qiáng)力上層建筑的材料分配［2］。

可采用梁理論與有限元方法進(jìn)行上層建筑有效度計(jì)算，并校核主船體與強(qiáng)力上層建筑的彎曲應(yīng)力水平。強(qiáng)力上層建筑的總強(qiáng)度應(yīng)力衡準(zhǔn)和穩(wěn)定性要求應(yīng)與主船體一致。在設(shè)計(jì)早期階段，上層建筑參與總縱強(qiáng)度有效程度可參考與總體布局形式相近的母型船或按式(2)進(jìn)行估算，進(jìn)而通過(guò)式(3)估計(jì)上層建筑的平均應(yīng)力水平。

式中:ηx——上層建筑平均應(yīng)力有效度系數(shù);

l——上層建筑長(zhǎng)度，m;

x——計(jì)算剖面距上層建筑端部距離，m。

其中:k——包含上層建筑的船體結(jié)構(gòu)剛度系數(shù);

F，f——計(jì)算剖面處主船體和上層建筑的縱向有效構(gòu)件總面積，cm2;

I0，i0——計(jì)算剖面處主船體和上層建筑的自身面積慣性矩，cm2·m2;

i1——上層建筑對(duì)主船體中和軸面積慣性矩，cm2·m2。

為了控制重量或重心高度，長(zhǎng)上層建筑可以采用伸縮接頭等形式進(jìn)行分割，從而設(shè)計(jì)成輕型上層建筑結(jié)構(gòu)。如果長(zhǎng)上層建筑側(cè)壁下面沒(méi)有位置對(duì)應(yīng)的甲板下剛性構(gòu)件如縱壁、外板等支承，且支撐在不多于2個(gè)剛性構(gòu)件上，其將與主船體產(chǎn)生反向彎曲變形，也可以設(shè)計(jì)為輕型結(jié)構(gòu)。當(dāng)上層建筑采用與主船體不同且彈性模數(shù)較低的材料如鋁合金或復(fù)合材料等，可以視作輕型上層建筑。

輕型上層建筑的甲板及側(cè)壁宜采用橫骨架式結(jié)構(gòu)，主要按照局部強(qiáng)度要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，但也要考慮連接與過(guò)渡部位的應(yīng)力集中問(wèn)題。

采用伸縮接頭分?jǐn)嚅L(zhǎng)上層建筑必須保證接頭前后的上層建筑結(jié)構(gòu)之間有足夠的縱向移動(dòng)間隙。船樓式上層建筑不宜設(shè)置伸縮接頭。伸縮接頭宜設(shè)置在對(duì)穿通道內(nèi)，但圖2中分?jǐn)嗌蠈咏ㄖ臋M向過(guò)道，其甲板及其縱向構(gòu)件連續(xù)，不能視為有效的伸縮接頭。伸縮接頭距強(qiáng)力甲板大開(kāi)口角隅一般不宜小于甲板室高度，兩側(cè)壁板及甲板板的伸縮接頭應(yīng)在同一平面內(nèi)，不宜錯(cuò)位。伸縮接頭以單層設(shè)置為宜。當(dāng)有充分依據(jù)，也可多層設(shè)置伸縮接頭。

應(yīng)根據(jù)被伸縮接頭分隔的各段上層建筑與船體連接情況，分析其是與主船體同向或反向彎曲，對(duì)應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)纳炜s接頭類型，具體結(jié)構(gòu)形式可采用波形板式接頭或滑動(dòng)式接頭［3］。

強(qiáng)力上層建筑前后端壁處在船中0.5L范圍內(nèi)時(shí)，應(yīng)盡可能與主船體橫艙壁對(duì)齊，否則應(yīng)在下方對(duì)應(yīng)設(shè)置強(qiáng)橫梁或支柱等。船樓端部外板應(yīng)延長(zhǎng)到端壁以外，當(dāng)延伸長(zhǎng)度不受限制時(shí)，可采用如圖14所示的橢圓弧，長(zhǎng)軸a=1.5h，短軸b=h，此時(shí)，應(yīng)力集中系數(shù)不超過(guò)1.85;當(dāng)上層建筑高度較大，而弧線長(zhǎng)度和高度受到限制時(shí)，應(yīng)力集中系數(shù)可按式(4)計(jì)算。過(guò)渡區(qū)的外板和附近的甲板、舷頂列板應(yīng)作適當(dāng)加強(qiáng)［4］。

圖14 船樓端部外板過(guò)渡

船中0.5L范圍內(nèi)的長(zhǎng)甲板室端壁與側(cè)壁應(yīng)采用圓弧連接，圓弧半徑可按式(5)計(jì)算。當(dāng)不能采用圓弧連接時(shí)，應(yīng)采用鉚接或其它減少應(yīng)力集中措施。

式中:R——圓弧半徑，m，且0.5h＜R≤1.4 m;

l——船中0.5L范圍內(nèi)長(zhǎng)甲板室的長(zhǎng)度，m;

b——甲板室端部寬度，m。

長(zhǎng)上層建筑未設(shè)計(jì)有效的伸縮接頭，且未按強(qiáng)力上層建筑進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，其平均應(yīng)力水平通常較高，橫向?qū)Υ┩ǖ赖炔课灰桩a(chǎn)生較大應(yīng)力集中，因此應(yīng)注意通道前后結(jié)構(gòu)的連續(xù)性。通道側(cè)壁應(yīng)盡可能連續(xù)，否則應(yīng)采用盡量高的縱桁連接，端部圓弧放大。圖1的縱桁端部節(jié)點(diǎn)不可取。

對(duì)于布局復(fù)雜的強(qiáng)力上層建筑和未按強(qiáng)力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的長(zhǎng)甲板室，建議采用有限元法進(jìn)行總強(qiáng)度和局部強(qiáng)度分析?？刹捎冒P(guān)注的整個(gè)長(zhǎng)上層建筑的中部艙段有限元模型，長(zhǎng)度方向應(yīng)自上層建筑端部向外延伸至附近主橫艙壁，延伸距離不小于2h。進(jìn)行總強(qiáng)度和有效度分析時(shí)，建議以普通骨材間距為基本單元尺寸。在此基礎(chǔ)上，對(duì)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)部位、有明顯應(yīng)力集中部位或局部高應(yīng)力區(qū)域，應(yīng)進(jìn)行細(xì)化網(wǎng)格有限元分析，細(xì)化網(wǎng)格區(qū)域內(nèi)的單元尺寸應(yīng)為普通骨材間距的1/10，但不大于50 mm×50 mm，也不必小于t×t(t為板材厚度)。細(xì)化網(wǎng)格有限元許用應(yīng)力為1.7σs(不鄰近焊縫處)或1.5σs(鄰近焊縫處)。

3 結(jié)論

經(jīng)驗(yàn)表明，累積性的結(jié)構(gòu)損傷多數(shù)出現(xiàn)在上層建筑中，而上層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)很大程度受制于總體性能與布置要求，為了獲得更好的使用效能，總體一般希望能采用輕型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以有限元為基礎(chǔ)的直接計(jì)算法為此提供了有力的手段?？偨Y(jié)前文分析結(jié)果，建議在設(shè)計(jì)中注意以下幾點(diǎn)。

1)關(guān)注長(zhǎng)上層建筑參與總強(qiáng)度的有效度問(wèn)題，當(dāng)長(zhǎng)上層建筑較大程度參與總強(qiáng)度時(shí)，必須按照強(qiáng)力上層建筑設(shè)計(jì)。

2)如果長(zhǎng)上層建筑按照輕型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，應(yīng)該采用有效措施使上層建筑不參與總強(qiáng)度。一般應(yīng)采用完全斷開(kāi)的彈性接頭形式，并且使斷開(kāi)后的上層建筑長(zhǎng)度等滿足輕型上層建筑條件。如果采用其它方式，應(yīng)有足夠的證據(jù)證明其有效性。如果采用不完全斷開(kāi)的形式，如側(cè)壁間斷的通道布置等，則必須校核上層建筑參與總強(qiáng)度后的應(yīng)力水平，并使其滿足規(guī)范要求。

3)如果長(zhǎng)上層建筑按照強(qiáng)力上層建筑設(shè)計(jì)，應(yīng)采用有限元法或其它方法進(jìn)行上層建筑有效度計(jì)算，并校核其上層建筑彎曲應(yīng)力水平，使其滿足規(guī)范要求。強(qiáng)力上層建筑應(yīng)盡可能采用縱骨架式，所有縱向構(gòu)件應(yīng)盡量保持其連續(xù)性，并注意節(jié)點(diǎn)的良好過(guò)渡。

［1］中國(guó)船舶工業(yè)總公司.船舶設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè)結(jié)構(gòu)分冊(cè)［S］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2000.

［2］王?；?，伍友軍，王德禹.強(qiáng)力上層建筑的有效度極其設(shè)計(jì)［J］.中國(guó)造船，2006，47(3):22-29.

［3］國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn).艦船通用規(guī)范1組:船體結(jié)構(gòu)［S］.北京:總裝備部軍標(biāo)出版發(fā)行部，2000.

［4］中國(guó)船級(jí)社.鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范［S］.北京:人民交通出版社，2012.