鋼夾層板船體結構優(yōu)化設計及其強度研究

朱晉超

摘要：鋼夾層板作為復合材料領域的新興產(chǎn)品，憑借其簡單的工藝、較高的強度、穩(wěn)定的性能、較低的成本等一系列優(yōu)勢，得以應用于駁船、渡輪、散貨船等船體結構中，進一步研究和優(yōu)化意義重大。

關鍵詞：鋼夾層板；船體結構優(yōu)化；強度

鋼夾層板復合材料剛性大、強度高、重量輕，而且經(jīng)濟環(huán)保、舒適性好，逐漸成為船體結構的重要材料，需對鋼夾層板船體結構予以優(yōu)化設計，深入研究。

1.鋼夾層板船體結構優(yōu)化設計原理

強度是復合材料推廣應用過程中必須解決的關鍵問題，鋼夾層板材料也不例外，若鋼夾層板船體結構強度設計不當，則易對船體的安全性和使用效益構成威脅。因此通過綜合分析、合理對比夾層板理論、單層板等效、有限元結構等鋼夾層板船體結構分析方法，以及屈曲強度和極限強度分析方法后，得出了優(yōu)化鋼夾層板船體結構的設計原理，具體闡述如下。

對于船體而言，高航速和大荷載是其重要的技術指標，所以如何在滿足剛度和強度的基礎上實現(xiàn)厚度優(yōu)化尤為關鍵，簡而言之，就是設計的夾層板和芯層厚度，既要符合屈曲、強度、頻率、位移、尺寸等約束要求，也要確保結構重量最輕[1]。這就需要我們合理計算強度因子在滿足R<1的條件下單位夾層板的重量參數(shù)的最小值，即 的極小值，其中 、 、 、 、 、 分別代表頂板厚度、底板厚度、芯材厚度、表板密度、芯材密度和膠層重量，且設 / =k，當其滿足4.2 / -3.4時可得到最小的F值，表示可實現(xiàn)鋼夾層板船體結構設計的優(yōu)化，但在實際設計中應妥善處理剖面模數(shù)與結構重量的矛盾。

2.鋼夾層板船體結構優(yōu)化設計及其強度研究

2.1.結構優(yōu)化設計

為更為直觀的了解鋼夾層板船體結構優(yōu)化設計及其強度性能，在此以一鋼制油船為例加以分析。已知該母型船為無限航區(qū)的雙殼油船，總長、垂線間長、型寬、型深、設計吃水分別為144.0、134.5、21.5、11.3、7.65（m），吃水方形系數(shù)為0.8177，排水量和壓載艙容分別為16660和6610（m?），中拱和中垂最大靜水彎矩分別為958516和-1010319（kN.m）[2]；然后基于上述提及的結構優(yōu)化原理和實際需要對該船的原有結構作了改裝設計，其中甲板、內(nèi)外殼、內(nèi)外底、斜板等為重點優(yōu)化部位，經(jīng)初步分析發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后的鋼夾層板船體結構的重量有所減輕；為進一步了解結構優(yōu)化結果以及其強度性能，則構建了有限元模型，但為實現(xiàn)非對稱性載荷工況，除了涉及端部橫艙壁外，還應在模型中引入船體左右部位的舷結構。

具體而言，該模型重要采用多點約束用于確定邊界條件，即一方面使端面的縱向單元與位于中心線中和軸位置的獨立點保持一定的相關性，并對位于后端的獨立點加以x軸位移約束；另一方面則借助一端為剛性固定的彈簧單元模擬邊界條件，以此確保自由端面有一個假定的平斷面，但彈簧單元需分別設置在甲板、外板、內(nèi)殼、內(nèi)底板、舷側、艙壁位置（結構模型見圖1）[3]；最后進行了施加載荷操作，包括船舷外水作用產(chǎn)生的壓力、貨油壓力、端面彎矩等，以便科學驗證優(yōu)化后的船體結構強度效果。

圖1 鋼夾層板船體結構模型及其邊界條件

2.2.強度評估研究

一是針對屈服強度計算，依舊采用許用應力直接計算剛夾層板船體結構的實際承載能力，此時便需要根據(jù) 這一等效應力估算屈服強度（此時的單元等效應力等于基準應力），其中 和 分別代表單元正應力， 代表單元剪應力，通常鋼夾層板的面板及其支撐構件處的基準應力不得超過235kN/mm2，而芯材的基準應力和層間剪切力應分別小于芯材強度和最小粘接力；經(jīng)評估對比鋼夾層板船體結構中的面板屈服強度和局部芯層強度，即甲板、內(nèi)外底、斜板、內(nèi)外殼的對應工況、最大應力、許用應力、實際屈服度、剪切應力等參數(shù)，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后的船體與普通船體有著類似的應力分布，且高應力位置也大體相同，但在整體上有著較低的應力水平。建議在以后的鋼夾層板船體結構優(yōu)化中，還應適當降低雙層底高和斜板寬度，以強化斜板設計效果，并合理減小面板厚度以期改善甲板的應力效果。

二是針對屈曲強度計算，考慮到鋼夾層板船體結構的屈曲強度需要滿足 / ≥1.1這一條件，其中 和 分別代表單面受壓載荷和梁彎曲應力，故需要結合有限元法解決復雜的邊界問題和受載問題，優(yōu)化后的船體結構有著較強的屈曲強度。

最后經(jīng)綜合對比分析得出，優(yōu)化后的鋼夾層板船體結構中的甲板、內(nèi)底和外底的梁剖面模數(shù)有一定的減小，甲板、內(nèi)外底、內(nèi)外殼、邊艙斜板的質(zhì)量分別降低了13.12、6.56、70.55、84.25（噸），而且成本節(jié)約效果明顯。故上文所述的鋼夾層板船體結構優(yōu)化效果較好，強度性能有所提高。

結束語：

隨著鋼夾層板在船舶和海洋領域應用范圍的不斷擴大，對其船體結構設計及其強度也會有越來越高的要求，進一步提高鋼夾層板在船體中的應用效果和價值，以強度因子為切入點，探索合理的優(yōu)化方法。

參考文獻：

[1] 劉志慧.鋼夾層板船體結構強度分析方法研究[D].哈爾濱工程大學，2011（05）.

[2] 周萍.鋼夾層板船體結構強度及振動性能分析[D].哈爾濱工程大學.2011（09）.

[3] 任思楊.工程船結構強度直接計算及優(yōu)化研究[D].武漢理工大學，2010（06）.