鋁合金與船舶及海洋工程輕量化設(shè)計

馬曙光， 周 佳

(1.上海外高橋造船有限公司， 上海 200137； 2.中船第708研究所海工部， 上海 200011)

鋁合金與船舶及海洋工程輕量化設(shè)計

馬曙光1， 周 佳2

(1.上海外高橋造船有限公司， 上海 200137； 2.中船第708研究所海工部， 上海 200011)

針對日益凸顯的船舶與海洋工程設(shè)計輕量化需求，重點(diǎn)對鋁合金材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計與應(yīng)用進(jìn)行介紹。分別從設(shè)計要求、規(guī)范規(guī)則和設(shè)計要點(diǎn)幾方面，結(jié)合設(shè)計案例進(jìn)行分析，并針對目前鋁合金材料在船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)設(shè)計和應(yīng)用的現(xiàn)狀提出展望和發(fā)展建議，為相關(guān)從業(yè)者提供參考。

輕量化；鋁合金；船舶與海洋工程；設(shè)計

0 引言

船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)在復(fù)雜的海洋環(huán)境中承擔(dān)著繁重的資源開發(fā)和長途運(yùn)輸工作，為了保證人員的安全，在設(shè)計時需要滿足一定的設(shè)計規(guī)范要求。作為一個整體，船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)的自重和裝載量(即工作能力)的總量是一定的，為了追求更高的效能，提升其工作能力，就需要增加總量或者降低自重。

在裝備日益大型化之后，設(shè)計者就要面對常規(guī)設(shè)計手段和方法無法解決的問題，繼續(xù)提高總量變得越來越困難，代價越來越大。因此，如何降低自重成為研究的重點(diǎn)，并受到廣泛的關(guān)注。

船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計當(dāng)前正處在研究的起步階段[1]，主要表現(xiàn)為選用高強(qiáng)度合金或者高性能輕質(zhì)材料制造船舶產(chǎn)品和工藝裝備，例如高強(qiáng)度鋼材、鋁合金、鈦合金、鎂合金、碳纖維材料和超高分子材料等。相對于其他材料，鋁合金與常規(guī)船用鋼同為金屬材料，施工工藝較為接近，成本上較其他合金更為適宜，目前已在船舶與海洋工程裝備中有了較多的應(yīng)用。

1 鋁合金結(jié)構(gòu)設(shè)計要點(diǎn)

為適應(yīng)輕量化設(shè)計的需求，各大船級社的規(guī)范和各國的法規(guī)中，也對相應(yīng)輕質(zhì)材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計提出了要求，重點(diǎn)考察輕質(zhì)材料的強(qiáng)度和安全性。美國船級社(ABS)[2]出版了專門針對鋁合金船設(shè)計的指南——Rules for Building and Classing Steel Vessels；DNV-GL和CCS[3]采用材料折算系數(shù)的方法，將鋁合金結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計等效為傳統(tǒng)船用鋼設(shè)計，這也是目前比較主流的設(shè)計替代方法，簡單實(shí)用。同時，各船級社高速船規(guī)范中都有對鋁合金材料使用的說明，但是CCS在海船規(guī)范中僅許可在上層建筑、甲板室和艙口蓋等結(jié)構(gòu)采用鋁合金材料進(jìn)行鋼質(zhì)材料的等效替換，相應(yīng)的板厚和剖面模數(shù)替換分別見式(1)和式(2)。

式中：ts為使用低碳鋼規(guī)范要求的板厚，mm；Ws為使用低碳鋼規(guī)范要求的剖面模數(shù)，cm3；Ka為鋁合金材料系數(shù)，Ka=235/Rp0.2，Rp0.2為鋁合金材料在退火狀態(tài)下的0.2%規(guī)定非比例伸長應(yīng)力，N/mm2，取不大于66%的材料抗拉強(qiáng)度值。

此外，為滿足安全性，針對不同艙室的防火等級進(jìn)行了劃分，設(shè)計材料規(guī)定使用鋼或其他等效材料[4]。等效材料系指任何不燃材料本身或由于所設(shè)隔熱物，經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)耐火試驗(yàn)規(guī)定的相應(yīng)曝火時間后，在結(jié)構(gòu)性和完整性上與鋼具有同等效能(例如設(shè)有適當(dāng)隔熱材料的鋁合金)的材料。

在實(shí)際設(shè)計應(yīng)用中，除了上述規(guī)定外，還有以下幾點(diǎn)需要注意：

(1) 強(qiáng)度設(shè)計。與常規(guī)船用鋼不同，鋁合金材料經(jīng)過焊接加工后，其承載能力會有不同程度的降低。因此，在設(shè)計中需針對不同牌號的鋁合金材料，按焊后強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計，同時留出一定設(shè)計余量，保證結(jié)構(gòu)安全。此外，因?yàn)殇X合金材料僅被許可在部分結(jié)構(gòu)設(shè)計中使用，所以不可避免地存在鋼材和鋁材的連接問題。常用的連接方式有鉚接、鋼鋁復(fù)合接頭等，接頭應(yīng)避免布置于高應(yīng)力區(qū)，防止使用中發(fā)生破壞。圖1為典型鋼鋁復(fù)合在實(shí)船上的應(yīng)用。

圖1 鋼鋁復(fù)合接頭在實(shí)船上的應(yīng)用

(2) 剛度設(shè)計。一般設(shè)計規(guī)范中，僅對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度提出要求，為保證結(jié)構(gòu)使用的舒適性，結(jié)構(gòu)需具備一定的設(shè)計剛度。剛度太低結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，則容易發(fā)生振動問題。鋁合金的彈性模量僅為船用低碳鋼的1/3左右，為達(dá)到與船用鋼相當(dāng)?shù)脑O(shè)計剛度，勢必需要增加一定厚度和剖面模數(shù)，以達(dá)到剛度等效，預(yù)防產(chǎn)生振動問題。

(3) 防火考慮。雖然法規(guī)中認(rèn)可了鋁合金敷設(shè)隔熱材料可以作為船用鋼的替代材料，但是受限于鋁的物理特性，各種鋁合金材料的熔點(diǎn)一般都在600℃左右。法規(guī)要求標(biāo)準(zhǔn)耐火試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)“時間-溫度”曲線，在15min后需達(dá)到718℃，即鋁合金僅能滿足比較初步的防火要求。對危險系數(shù)較高的區(qū)域，如果沒有材料或工藝上的突破，其材料局限性無法滿足設(shè)計要求。

2 設(shè)計案例簡介

我國在近幾年集中建造了一批鋁合金焊接船。近年來，隨著技術(shù)的成熟，鋁合金在船舶建造領(lǐng)域獲得了較多的應(yīng)用，應(yīng)用案例見表1[5]。

表1 我國近年鋁合金焊接船應(yīng)用

由中船工業(yè)集團(tuán)第七〇八研究所設(shè)計、江蘇省鎮(zhèn)江船廠(集團(tuán))有限公司建造的60 m級綜合應(yīng)急指揮船于2014年6月交付江蘇海事局，如圖2所示，其主尺度見表2。

圖2 江蘇海事局60 m級綜合應(yīng)急指揮船

表2 60 m級綜合應(yīng)急指揮船主尺度 單位：m

該船主船體結(jié)構(gòu)采用CCS-A級鋼，上層建筑采用鋁合金材料——鋁合金板材5083,鋁合金型材6082。上層建筑共有3層，全鋁合金設(shè)計，分別為A甲板、駕駛甲板和羅經(jīng)甲板。最下層A甲板全長約44 m，設(shè)有險情會商室等住宿和功能艙室。圖3為險情會商室照片，該房間長12 m，凈高2.8 m。圖4為駕駛室后部。

圖3 險情會商室 圖4 駕駛室后部

該船在設(shè)計中重點(diǎn)關(guān)注了鋼料連接界面的設(shè)計以及重點(diǎn)艙室的結(jié)構(gòu)剛度匹配。在全船結(jié)構(gòu)有限元強(qiáng)度和振動分析的基礎(chǔ)上，對連接節(jié)點(diǎn)和整體框架進(jìn)行了設(shè)計優(yōu)化。船體首部錯層，鋼鋁連接接頭處應(yīng)力水平控制在100 MPa之內(nèi)，全船模態(tài)與主要振動源均錯開15%以上，經(jīng)實(shí)船驗(yàn)證達(dá)到了設(shè)計目標(biāo)，取得了良好的應(yīng)用效果。圖5為全船模態(tài)有限元分析模型示意圖，圖6為鋼鋁連接關(guān)鍵位置應(yīng)力分析及結(jié)構(gòu)設(shè)計，圖7為鋁合金大艙室框架分析。

圖5 全船模態(tài)有限元分析模型示意圖(密度分布)

圖7 鋁合金大艙室框架分析

此外，在海洋工程設(shè)計領(lǐng)域，鋁合金多以產(chǎn)品或者模塊形式出現(xiàn)，應(yīng)用較為普遍的有鋁合金直升機(jī)平臺和上下平臺用的步橋等。圖8為某鋁合金直升機(jī)平臺產(chǎn)品照片。

圖8 鋁合金直升機(jī)平臺

3 結(jié)論

目前,鋁合金材料已在中小型船舶設(shè)計和海洋工程模塊中有了不少成功案例，是值得關(guān)注的輕量化設(shè)計用料。在今后的推廣和發(fā)展上，有以下幾點(diǎn)建議供業(yè)者參考：

(1) 鋁合金等輕量化材料在設(shè)計和建造中應(yīng)用時，除了滿足設(shè)計規(guī)范及指南中的強(qiáng)度要求之外，其結(jié)構(gòu)設(shè)計剛度需特別加以關(guān)注，以免造成結(jié)構(gòu)匹配不合適導(dǎo)致振動問題。

(2) 有文獻(xiàn)指出鋁合金建造中，使用帶筋板可以大大降低生產(chǎn)成本、加快施工進(jìn)度。但是，目前市場上所見的鋁合金帶筋板大多板薄、骨材間距較密、骨材模數(shù)偏小，難以適用于大型艙室的設(shè)計。此外，帶筋板未成系列，設(shè)計者在設(shè)計初期如果無法獲取合適的規(guī)格信息，一旦設(shè)計定型后，船廠在后期建造階段很難再改用成型的帶筋板，而重新開模壓制新帶筋板，成本和周期均會增加，這也在一定程度上限制了帶筋板的推廣。

(3) 相關(guān)鋁合金模塊和配套產(chǎn)品(防火絕緣涂料、隔振涂料等)，目前大多由國外廠商壟斷，國內(nèi)多以提供鋁合金板/型材等初級產(chǎn)品為主。從技術(shù)進(jìn)步和行業(yè)發(fā)展而言，建議更多的技術(shù)人員投入到相關(guān)領(lǐng)域進(jìn)行研究，提升國內(nèi)鋁合金應(yīng)用的整體技術(shù)水平，創(chuàng)造更大的產(chǎn)品價值。

[1] 徐學(xué)光.造船現(xiàn)代化研究[J]，上海造船，2009，3(79):13-16.

[2] ABS. Rules for Building and Classing Steel Vessels[S].2009.

[3] 中國船級社.鋼質(zhì)海船入級規(guī)范[S] . 北京：人民交通出版社，2015.

[4] 李敬勇.鋁合金焊接船及其發(fā)展[J]，材料開發(fā)與應(yīng)用，1994,26(3): 33-38.

[5] 王承權(quán).鋁合金船體結(jié)構(gòu)應(yīng)用帶筋板的幾個問題[J]，船海工程，2003,32(4): 8-11.

Aluminum Application and Lightweight Optimization in Ship and Offshore Structure Design

MA Shuguang1， ZHOU Jia2

(1.Shanghai Waigaoqiao Shipbuilding Co., Ltd., Shanghai 200137, China;2.Marine Engineering Department， 708 Research Institute, Shanghai 200011, China)

Lightweight optimization in ship and offshore structure design was much more concerned recently. Aluminous structure design technique was introduced with some application cases. In view of the present situation of the design and application of the aluminum alloy material in the ship and ocean engineering structure design,the reference for the related practitioners is provided.

lightweight optimization； aluminum； ship and offshore engineering； design

2016-07-05

馬曙光(1979-)，男，高級工程師

1001-4500(2017)01-0015-06

P75

A