基于鋁質(zhì)夾層板的上層建筑輕量化設(shè)計(jì)

柯 力 張延昌 劉 昆 王 元 吳嘉蒙

（1. 江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院 鎮(zhèn)江212003；2. 江蘇科技大學(xué) 海洋裝備研究院 鎮(zhèn)江212003；3.中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011）

引 言

隨著船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)大型化、復(fù)雜性、工作狀態(tài)危險(xiǎn)性的發(fā)展趨勢(shì)，以及節(jié)能、環(huán)保、安全、舒適的需求，對(duì)船體結(jié)構(gòu)性能的要求越來(lái)越高。但是船舶自身結(jié)構(gòu)質(zhì)量卻是影響船舶性能的一個(gè)重要因素，因此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水平亟待提升從而有效解決結(jié)構(gòu)性能與結(jié)構(gòu)質(zhì)量之間的矛盾。為了解決這一矛盾，國(guó)外船廠在建造小型游艇和豪華郵輪時(shí)，常用鋁質(zhì)夾層板替代傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如設(shè)計(jì)制造全鋁游艇，在豪華郵輪的艙壁襯里、天花板等區(qū)域用鋁質(zhì)夾層板進(jìn)行隔音減重等［1］。

鋁質(zhì)夾層板具有質(zhì)量輕、均勻性好、高強(qiáng)度剛度、耐腐蝕及隔音性能好等特點(diǎn)［2-4］，可以減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量、節(jié)約成本，還能改善人員辦公環(huán)境和居住環(huán)境，提高舒適度。為普及鋁質(zhì)夾層板的應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)鋁質(zhì)夾層板在船舶上的應(yīng)用及力學(xué)性能分析方面開(kāi)展一定的研究工作。其中，Kooistra G W［5］對(duì)鋁質(zhì)夾層板的結(jié)構(gòu)型式進(jìn)行了設(shè)計(jì)并進(jìn)行了強(qiáng)度校核，經(jīng)計(jì)算，四面體桁架式鋁質(zhì)夾層板結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度可以媲美蜂窩型夾層板，并且制造成本低，制造工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，可以用于船舶實(shí)際應(yīng)用。Mohan K［6］則研究了金屬泡沫的抗沖擊性能，并針對(duì)鋁質(zhì)泡沫夾層板的結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行了沖擊試驗(yàn)研究。相比于船用結(jié)構(gòu)，吸能效果顯著，并且破壞形式僅為受載面板局部穿孔，非受載面板并未失效。該種結(jié)構(gòu)形式的鋁質(zhì)夾層板用于船舶建造中可以有效提高船舶結(jié)構(gòu)安全性。Foo［7］對(duì)鋁夾層板受低速?zèng)_擊引起的失效響應(yīng)情況進(jìn)行試驗(yàn)研究和仿真分析，結(jié)果表明鋁質(zhì)夾層板的失效主要與芯層厚度和芯層數(shù)量有關(guān)，而利用離散型建模方法得到的仿真數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好，具有重要的參考意義。國(guó)內(nèi)學(xué)者也在鋁質(zhì)夾層板的結(jié)構(gòu)特性和輕量化應(yīng)用方面進(jìn)行一些研究工作，包括鋁質(zhì)夾層板數(shù)值仿真模型化技術(shù)［8］和靜動(dòng)態(tài)力學(xué)性能預(yù)報(bào)方法［9-10］，為其工程化應(yīng)用提供技術(shù)支持。此外，張錢(qián)城等［11］針對(duì)車(chē)輛輕量化問(wèn)題，以減重20%為目標(biāo)，利用鋁質(zhì)夾層板替代實(shí)心結(jié)構(gòu)并對(duì)彎曲性能進(jìn)行理論分析，結(jié)果表明鋁質(zhì)波紋夾層板抗彎性能更佳。在船舶領(lǐng)域，李鵬［12］基于鋁質(zhì)夾層板對(duì)船體艙室結(jié)構(gòu)進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，證明用鋁蜂窩夾層板替代兩種傳統(tǒng)輕艙壁可以起到明顯的減重效果，并且其強(qiáng)度和剛度都有所提高。

綜上所述，國(guó)內(nèi)外研究成果為鋁質(zhì)夾層板在船舶與海洋工程領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)并指明了方向，本文依托以某船上層建筑為研究對(duì)象，利用鋁質(zhì)夾層板對(duì)上層建筑局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行替代設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)比分析傳統(tǒng)加筋板架結(jié)構(gòu)與鋁質(zhì)夾層板結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，討論替代設(shè)計(jì)的可行性，為民船上層建筑的輕量化設(shè)計(jì)及鋁質(zhì)夾層板的實(shí)船應(yīng)用提供參考。

1 鋁質(zhì)夾層板替代設(shè)計(jì)研究

1.1 夾層板結(jié)構(gòu)類(lèi)型設(shè)計(jì)

為選出力學(xué)性能較佳的夾層板芯層類(lèi)型，本文對(duì)常用I型、V型、U型、Uc型鋁質(zhì)夾層結(jié)構(gòu)力學(xué)性能進(jìn)行對(duì)比分析，選出較佳的芯層型式。四種夾層板的芯層如下頁(yè)圖1所示。

在進(jìn)行結(jié)構(gòu)替代設(shè)計(jì)時(shí)，為選出較優(yōu)的夾層板結(jié)構(gòu)類(lèi)型，根據(jù)目標(biāo)上層建筑結(jié)構(gòu)特點(diǎn)選取某前端壁局部區(qū)域與鋁質(zhì)夾層板進(jìn)行力學(xué)性能對(duì)比分析。該區(qū)域長(zhǎng)L0= 2000 mm、寬B0= 2000 mm、板厚t0= 7 mm、加筋尺寸為125 mm×75 mm×7 mm、間距s= 800 mm、結(jié)構(gòu)質(zhì)量m0= 262.66 kg。因此，四種夾層板結(jié)構(gòu)整體尺寸為L(zhǎng)= 2000 mm、B=2000 mm，芯層尺寸參數(shù)設(shè)計(jì)如下：

I型夾層板：tf= 5 mm、tc= 3 mm、hc= 80 mm、b= 62.5 mm、W= 125 mm；

V型夾層板：tf= 5 mm、tc= 3 mm、hc= 80 mm、W= 125 mm、a= 125 mm、b= 0 mm；

U型和Uc型夾層板：tf= 5 mm、tc= 3 mm、hc= 80 mm、W= 125 mm、a= 105 mm、b= 20 mm。

圖1 四種夾層板結(jié)構(gòu)單元

基于上述結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)，利用有限元軟件Abaqus進(jìn)行建模，采用殼單元模擬，網(wǎng)格尺寸取20 mm，加筋板為船用低碳鋼，夾層板為鋁合金材料；計(jì)算時(shí)參考CCS“海規(guī)”［13］，取23.5 kPa均布靜態(tài)載荷，施加于加筋板面板（外壁）和夾層板的上面板，加筋板和各夾層板約束均為四周剛性固定，計(jì)算結(jié)果匯總于表1。

表1 四種夾層板靜強(qiáng)度的計(jì)算結(jié)果

續(xù)表1

從表1中可以看出，在23.5 kPa均布靜載作用下，四種夾層板的應(yīng)力和變形均小于該局部加筋板架結(jié)構(gòu)。其中，I型鋁板質(zhì)量最輕，V型變形最小，Uc型鋁板應(yīng)力最小。因此，根據(jù)單一質(zhì)量、變形以及應(yīng)力指標(biāo)進(jìn)行分析，很難篩選出力學(xué)性能相對(duì)較優(yōu)的夾層板類(lèi)型。為定量評(píng)估各夾層板力學(xué)性能，選出力學(xué)性能較優(yōu)的夾層板結(jié)構(gòu)類(lèi)型，用于后續(xù)上層建筑結(jié)構(gòu)輕量化替代設(shè)計(jì)，本文以結(jié)構(gòu)質(zhì)量、變形和應(yīng)力為目標(biāo)，建立目標(biāo)函數(shù)f對(duì)四種夾層板進(jìn)行多目標(biāo)分析：

式中：α、β、γ分別是fm、fv、fs無(wú)因次指數(shù)的權(quán)重系數(shù)。從表1中可知：四種夾層板結(jié)構(gòu)質(zhì)量較加筋板輕了30%以上，α值不應(yīng)較大；夾層板變形為mm級(jí)，相對(duì)于長(zhǎng)寬均為2000 mm的夾層板而言，變形量相對(duì)較小，β值也不應(yīng)較大；夾層板變形為MPa級(jí)，量級(jí)相對(duì)較大，γ值應(yīng)相對(duì)較大。因此，經(jīng)綜合考慮，取α= 0.3，β= 0.3，γ= 0.4 ；fm、fv、fs分別是夾層板結(jié)構(gòu)質(zhì)量、上面板中點(diǎn)處的變形與應(yīng)力的隸屬度。

通過(guò)對(duì)目標(biāo)隸屬度進(jìn)行分析，可以將目標(biāo)無(wú)因次化，避免單位統(tǒng)一的問(wèn)題，同時(shí)也能清晰地反應(yīng)出不同對(duì)象間目標(biāo)的數(shù)值大小。目標(biāo)隸屬度計(jì)算方法如下：

根據(jù)式（1）和式（2）對(duì)表1中夾層板的計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，如表2所示。

表2 四種夾層板的目標(biāo)函數(shù)

多目標(biāo)函數(shù)f值越小，說(shuō)明夾層板力學(xué)性能越佳。從表2中可以看出，Uc型鋁質(zhì)夾層板目標(biāo)函數(shù)最小，V型次之。因此，與目標(biāo)上層建筑某局部前端壁結(jié)構(gòu)相比，Uc型夾層板具有更優(yōu)的靜力學(xué)性能，本文選取Uc型鋁質(zhì)夾層板進(jìn)行后續(xù)上層建筑結(jié)構(gòu)輕量化替代設(shè)計(jì)。

1.2 連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.2.1 上層建筑結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

目標(biāo)上層建筑有五層甲板室，為縱骨架式結(jié)構(gòu)，如圖2所示。甲板室由甲板板、艙室以及端壁結(jié)構(gòu)組成，總重454 t，其中前端壁結(jié)構(gòu)（含骨材）重3.25 t，01前端壁與船體主甲板連接。

圖2 上層建筑整體結(jié)構(gòu)圖

從圖2可以看出，該上層建筑前端壁結(jié)構(gòu)布置均勻且加筋尺寸相當(dāng)，各層端壁厚度差異不大，平整度較高，易于裝配。因此，針對(duì)上層建筑前端壁結(jié)構(gòu)可進(jìn)行鋁質(zhì)夾層板輕量化替代設(shè)計(jì)，并對(duì)替代過(guò)程中出現(xiàn)的夾層板與夾層板以及夾層板與加筋板間的面內(nèi)和非面內(nèi)連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1.2.2 面內(nèi)及非面內(nèi)連接結(jié)構(gòu)

根據(jù)船體焊接工藝規(guī)范并參考其他相關(guān)領(lǐng)域研究成果，設(shè)計(jì)面內(nèi)和非面內(nèi)連接型式及主要尺寸參數(shù)，匯總于表3和表4。

表3 面內(nèi)連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

表4 非面內(nèi)連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

續(xù)表3

由表3和表4可見(jiàn)，所確定的連接型式涵蓋了面內(nèi)與非面內(nèi)（L型、T型）連接、夾層板-加筋板與夾層板-夾層板連接，其連接方式主要是焊接。

2 上層建筑替代設(shè)計(jì)

2.1 夾層板及連接結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)

該上層建筑01前端壁板厚為10 mm，02前端壁板厚為8 mm，03～05端壁板厚均為7 mm，前端壁扶強(qiáng)材結(jié)構(gòu)尺寸為125 mm×75 mm×7 mm，如圖3所示。01～05前端壁（含加筋）結(jié)構(gòu)質(zhì)量分別為10916 kg、6282 kg、5910 kg、5832 kg和 3581 kg。

圖3 上層建筑前端壁

在利用鋁質(zhì)夾層板對(duì)前端壁結(jié)構(gòu)進(jìn)行替代設(shè)計(jì)時(shí)，以最小質(zhì)量原則進(jìn)行結(jié)構(gòu)初步設(shè)計(jì)。由于夾層板單元結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)較多，滿足結(jié)構(gòu)質(zhì)量要求的初步設(shè)計(jì)尺寸組合方案很多。因此，本文以鋁質(zhì)夾層板的高度進(jìn)行系列分類(lèi)，分別選取夾層板高度為100 mm、80 mm、60 mm三個(gè)系列；上、下面板及夾芯厚度不小于3 mm，板厚為連續(xù)變量（0.5 mm連續(xù)）；夾芯單元短邊寬度a的取值范圍為40～50 mm，每隔5 mm取一種結(jié)構(gòu)形式，a+b= 200 mm，保證面板板格寬度與面板夾角范圍在50°～70°。根據(jù)以上限制條件確定出滿足要求的夾層板結(jié)構(gòu)尺寸初步設(shè)計(jì)方案，見(jiàn)表5。

表5 鋁質(zhì)夾層板初步設(shè)計(jì)方案

Uc_100、Uc_80、Uc_60這三個(gè)夾層板設(shè)計(jì)方案中，A系列用于替換01、02前端壁，B系列用于替換03-05前端壁。根據(jù)夾層板初步設(shè)計(jì)方案和實(shí)際制造工藝，對(duì)連接結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，如表6所示。

表6 連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案mm

相比于傳統(tǒng)上層建筑前端壁結(jié)構(gòu)，采用這三種Uc型鋁質(zhì)夾層板進(jìn)行替代設(shè)計(jì)后，前端壁結(jié)構(gòu)分別減重29.3%、32.5%、35.6%；相比于傳統(tǒng)上層建筑整體結(jié)構(gòu)，三種鋁質(zhì)夾層板分別減重2.1%、2.3%、2.5%。該上層建筑結(jié)構(gòu)為縱骨架式結(jié)構(gòu)，為保持上層建筑強(qiáng)度、剛度特性一致，夾層板上層建筑各前端壁中鋁質(zhì)夾層板布置方向?yàn)榭v向布置。

2.2 上層建筑結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限元分析

2.2.1 有限元模型

利用有限元分析軟件ABAQUS建立有限元模型，甲板板、四周?chē)诎逡约皬?qiáng)橫梁、縱桁、強(qiáng)扶墻材的腹板等均采用shell單元模擬，單元類(lèi)型為S4R。鋼材材料選取Q235A鋼，彈性模量取E= 210 GPa，泊松比μ= 0.32；鋁合金材料彈性模量取E= 63.82 GPa，泊松比均 。靜載荷作用在該上層建筑01～05前端壁外壁上，因此在劃分網(wǎng)格時(shí)對(duì)前端壁結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，網(wǎng)格尺寸取50 mm，上層建筑其他結(jié)構(gòu)網(wǎng)格尺寸取200 mm，根據(jù)上層建筑舾裝特點(diǎn)，在計(jì)算時(shí)對(duì)上層建筑底部進(jìn)行四周剛性固定約束，有限元模型如圖4所示。

圖4 有限元模型

針對(duì)應(yīng)用于船體上層建筑前端壁的加筋板及夾層板，根據(jù)CCS“海規(guī)”要求，上層建筑端壁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算載荷F=ρgh，載荷施加于前端壁外壁面板上。計(jì)算壓頭h=αδ（βλ-γ） ，且hmin= 0.005L+ 1.25，計(jì)算壓頭數(shù)值參見(jiàn)下頁(yè)表7。

經(jīng)計(jì)算hmin= 2.35 m，而從表7中可見(jiàn)，01～05前端壁的計(jì)算壓頭h值均不滿足最小值要求。因此，選取計(jì)算壓頭hmin，則計(jì)算載荷F= 23.5 kPa。

本項(xiàng)目對(duì)前端壁結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化。因此，計(jì)算載荷23.5 kPa下，前端壁結(jié)構(gòu)的許用應(yīng)力計(jì)算公

表7 上層建筑前端壁壓頭計(jì)算

式見(jiàn)式（3）：

式中：K為材料系數(shù)；λy為安全因子，對(duì)于端壁結(jié)構(gòu)，λy= 0.8。對(duì)于Q235鋼而言，材料系數(shù)K= 1。因此傳統(tǒng)端壁結(jié)構(gòu)的許用應(yīng)力［σ］= 285.6 MPa。

本文所選取的鋁質(zhì)夾層板，材料系數(shù)K計(jì)算公式見(jiàn)式（4）：

式中：σp0.2指非比例伸長(zhǎng)應(yīng)力，經(jīng)試驗(yàn)測(cè)算得σp0.2= 175 MPa，則K=1.343。因此，該上層建筑鋁質(zhì)前端壁結(jié)構(gòu)的許用應(yīng)力［σ］= 0.8×357/1.343= 212.7 MPa。

2.2.2 計(jì)算結(jié)果及分析

傳統(tǒng)上層建筑和鋁質(zhì)夾層上層建筑前端壁結(jié)構(gòu)應(yīng)力變形情況如圖5-圖8所示。

由圖5-圖8可以看出，在靜載荷作用下，傳統(tǒng)上層建筑結(jié)構(gòu)變形主要集中在04～05前端壁上，最大變形出現(xiàn)在04前端壁上；Uc_100和Uc_80夾層板上層建筑結(jié)構(gòu)變形主要發(fā)生在05前端壁處，Uc_60上層建筑變形主要發(fā)生在01前端壁處，這是因?yàn)閁c_60夾層板減重程度較大，01前端壁作為底層結(jié)構(gòu)，受上層結(jié)構(gòu)作用，從而產(chǎn)生更大變形；應(yīng)力分布較為平均，最大應(yīng)力位于04～05前端壁處，這是因?yàn)楦邔佣吮诮Y(jié)構(gòu)上連接構(gòu)件連接形式復(fù)雜，結(jié)構(gòu)分布不均勻，因而容易造成應(yīng)力集中現(xiàn)象。

圖6 Uc_100型上層建筑不同區(qū)域結(jié)構(gòu)響應(yīng)情況

圖8 Uc_60型上層建筑不同區(qū)域結(jié)構(gòu)響應(yīng)情況

傳統(tǒng)上層建筑和夾層板上層建筑結(jié)構(gòu)各層端壁最大應(yīng)力及變形情況匯總于表8。

表8 計(jì)算結(jié)果匯總表

從表8中可以看出，在23.5 kPa均布靜態(tài)載荷作用下，傳統(tǒng)上層建筑前端壁結(jié)構(gòu)最大變形為17.1 mm，Uc_100、Uc_80、Uc_60型三種鋁質(zhì)夾層板前端壁變形最大值分別為8.6 mm、11.7 mm、21.5 mm；Uc_100和Uc_80型鋁質(zhì)夾層板上層建筑前端壁結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力分別為114.7 MPa和164.4 MPa，均未超過(guò)許用應(yīng)力212.7 MPa。Uc_60型鋁質(zhì)夾層板前端壁結(jié)構(gòu)中只有05前端壁結(jié)構(gòu)超過(guò)許用應(yīng)力；傳統(tǒng)上層建筑前端壁結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力244 MPa，未超過(guò)許用應(yīng)力285.6 MPa。因此，為比較分析出力學(xué)性能最優(yōu)的結(jié)構(gòu)，參考式（1）和式（2），結(jié)合表8中結(jié)構(gòu)變形和應(yīng)力情況，取權(quán)重系數(shù)α= 0.3，β= 0.4，γ= 0.3 。計(jì)算傳統(tǒng)上層建筑和三種鋁質(zhì)上建在質(zhì)量、應(yīng)力、變形因素影響下前端壁結(jié)構(gòu)的多目標(biāo)函數(shù)值，參見(jiàn)表9。

從表9中可以看出，Uc_100型鋁質(zhì)夾層板上層建筑中，01、03、04和05這四種前端壁的多目標(biāo)函數(shù)均為最小值，且02前端壁目標(biāo)函數(shù)值也僅僅略大于最小值。而目標(biāo)函數(shù)越小，則證明在靜載荷作用下的力學(xué)性能越好。因此，Uc_100型鋁質(zhì)夾層板上層建筑力學(xué)性能不僅優(yōu)于傳統(tǒng)加筋結(jié)構(gòu)，還優(yōu)于其他兩種鋁質(zhì)上層建筑結(jié)構(gòu)。這說(shuō)明利用Uc_100型鋁質(zhì)夾層板替代傳統(tǒng)上層建筑結(jié)構(gòu)能夠較好的滿足結(jié)構(gòu)在常規(guī)強(qiáng)度的要求，實(shí)現(xiàn)上層建筑的輕量化設(shè)計(jì)。

表9 傳統(tǒng)前端壁和鋁質(zhì)夾層板前端壁結(jié)構(gòu)的目標(biāo)函數(shù)

3 結(jié) 語(yǔ)

本文根據(jù)某常規(guī)船上層建筑結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)鋁質(zhì)夾層板結(jié)構(gòu)型式和連接結(jié)構(gòu)類(lèi)型進(jìn)行選擇，根據(jù)最小質(zhì)量原則對(duì)該上層建筑前端壁結(jié)構(gòu)進(jìn)行輕量化替代設(shè)計(jì)，并利用有限元軟件進(jìn)行靜強(qiáng)度分析，主要結(jié)論如下：

（1）在鋁質(zhì)夾層板常規(guī)結(jié)構(gòu)型式中，相比于I型、V型和U型夾層板，Uc型鋁質(zhì)夾層板具有更優(yōu)的靜力學(xué)性能；

（2）在鋁質(zhì)夾層板結(jié)構(gòu)替代設(shè)計(jì)過(guò)程中，本文針對(duì)上層建筑結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)連接結(jié)構(gòu)型式進(jìn)行設(shè)計(jì)，可為工程應(yīng)用提供參考；

（3）基于三種Uc型夾層板開(kāi)展上層建筑結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)，得到初步設(shè)計(jì)方案，并對(duì)設(shè)計(jì)方案開(kāi)展力學(xué)性能分析，基于計(jì)算結(jié)果建立多目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行分析，證明鋁質(zhì)夾層板上層建筑可以有效減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量并提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。