雙體客船上層建筑鋁合金結(jié)構(gòu)強度研究

黃燕玲 潘甜 張曉丹

摘 要：上層建筑鋁合金結(jié)構(gòu)設(shè)計時可以不遵照傳統(tǒng)的規(guī)范設(shè)計法，而是應(yīng)用強度理論及ANSYS 程序或運用MSC Patran/Nastran程序進行有限元設(shè)計，這樣一方面可以確保設(shè)計中所選擇的鋁合金構(gòu)件滿足強度要求，另一方面又可以使船舶重量最輕化。本文以42.4m雙體觀光旅游船為例，采用MSC Patran/Nastran 計算鋁合金上層建筑結(jié)構(gòu)強度，得出上層建筑應(yīng)力分布情況，證明選取的上層建筑的構(gòu)件尺寸滿足局部強度的要求，為結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計提供參考。并在其他條件都不變時，局部改變羅經(jīng)甲板前圍壁與側(cè)圍壁連接處（即應(yīng)力集中處）板厚，得出板厚與應(yīng)力的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)板厚越厚，此處板的應(yīng)力減小;且板厚度較小時，增加板厚對減小板的應(yīng)力效果明顯，當(dāng)板厚度增大到一定時，增加板厚，板應(yīng)力減小幅度并不大。

關(guān)鍵詞：鋁合金上層建筑;結(jié)構(gòu)強度;數(shù)值計算

中圖分類號：TG156 ? ? 文獻標識碼：A ? ? ?文章編號：1006—7973（2021）02-0131-03

隨著社會的不斷發(fā)展，船東對船舶性能的要求越來越高，但中小型船舶本身質(zhì)量卻是影響船舶性能的一個重要因素。經(jīng)過對各種造船材料的分析對比，發(fā)現(xiàn)鋼質(zhì)材料具有價格低、易加工成型、易于維修保養(yǎng)、耐碰撞等優(yōu)點，因而主船體結(jié)構(gòu)采用鋼材較為理想，可以使其強度、剛度、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性得到保障。另外鋁合金材料具有比重和彈性模量小等優(yōu)良性能，作為上層建筑材料對高速船以及軍船尤為適用。對于滑行艇、水翼艇、氣墊船和沖翼艇等高速船，重量對航速也很敏感，如能減輕船重，也可有效提高航速。另外，現(xiàn)代艦艇航海儀器設(shè)備和武器裝備的增加，使艦艇上部重量增加，穩(wěn)性變壞。因此減輕船重，降低船舶重心以保證船舶穩(wěn)性的需求越來越迫切。而采用鋁合金作為上層建筑材料來減輕船舶上部重量是一種有效適用的方法[1]。

由于鋁的密度是2.7t/m3 ，僅為鋼的1/3，并具有耐海水腐蝕能力強，無低溫脆性等特點，因此采用鋁合金建造的船舶較鋼船具有諸多的優(yōu)點，如結(jié)構(gòu)重量輕，相同排水量時可多裝載，在相等航速下所需要的推進功率比鋼船要低，其耐腐蝕能力和在低溫海域的抗裂性遠高于鋼制船舶等[2]。但鋁合金的焊后屈服強度相對較低，若船舶采用鋁合金建造，需要重點考慮其強度問題。

本文采用直接計算方法研究了鋁合金上層建筑結(jié)構(gòu)的強度，得出應(yīng)力分布情況，為結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考依據(jù)。并對比了在其他條件都不變時，局部改變羅經(jīng)甲板前圍壁與側(cè)圍壁連接處（即應(yīng)力集中處）板厚，得出板厚與應(yīng)力的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)板厚越厚，此處板的應(yīng)力減小;且板厚度較小時，增加板厚對減小板應(yīng)力效果明顯，當(dāng)板厚度增大到一定時，增加板厚，板應(yīng)力減小幅度并不大。

1模型概述

根據(jù)《海上高速船入級與建造規(guī)范（2005）》以及《國內(nèi)航行海船建造規(guī)范（2009）》（以下簡稱《海規(guī)》）的要求，鋁合金上層建筑的強度分析可通過大型有限元分析軟件MSC Patran/ Nastran ，施加邊界條件和載荷，計算分析獲取應(yīng)力分布和變形規(guī)律。

整個模型范圍為整個上層建筑。甲板板及圍壁結(jié)構(gòu)采用二維3、4節(jié)點shell單元離散，甲板橫梁及強橫梁、圍壁扶強材、加強筋及桁材采用2節(jié)點梁單元模擬。

2計算實例

以42.4m雙體觀光旅游船的整個上層建筑為研究對象，雙體船總長42.4m，水線長39.4m，型深3.8m，總寬12.60m，設(shè)計吃水2.1m。主甲板至游步甲板高2.8m，游步甲板至駕駛甲板高2.6m，駕駛甲板至羅經(jīng)甲板高2.4m。具體有限元模型見圖1。船寬方向為y軸，正方向由右舷指向左舷;型深方向為z軸，正方向由船底指向甲板;船長方向為x軸，正方向由船尾指向船首。

2.1構(gòu)件尺寸

游步甲板及下圍壁的主要構(gòu)件的尺寸見表1。駕駛甲板以及羅經(jīng)甲板的板厚與游步甲板板厚都完全相同，只是甲板強橫梁和強扶強材稍微微偏小。

2.2邊界條件

根據(jù)《海規(guī)》，在圍壁結(jié)構(gòu)下緣節(jié)點上施加全位移約束：、、、、、，即剛性固定。

2.3計算載荷

按《海規(guī)》第2篇第2章第8節(jié)的相應(yīng)甲板設(shè)計載荷計算，將所選定的計算壓頭h（m），按p=7.06h轉(zhuǎn)化為MPa為單位的設(shè)計壓力。各層甲板及圍壁計算載荷見表2。

2.4 許用應(yīng)力

本船上層建筑為耐腐蝕高強度鋁合金，彈性模量，泊松比，密度。所有板材5083H321，其，型材6082T6，。按照《海規(guī)》中許用應(yīng)力的有關(guān)規(guī)定，板材許用應(yīng)力，骨材的許用應(yīng)力為，其中為鋁合金交貨狀態(tài)下的規(guī)定非比例伸長應(yīng)力。

3計算結(jié)果分析

第一層游步甲板、第二層駕駛甲板以及羅經(jīng)甲板的板材的最大相當(dāng)應(yīng)力和骨材的最大合成應(yīng)力見表3。由表3可知，所有的板材和骨材的應(yīng)力值都小于許用應(yīng)力值，即上層建筑的構(gòu)件尺寸滿足局部強度的要求。各層板和骨材的應(yīng)力圖見圖2～4。

由圖2可知，游步甲板及下圍壁的板的最大相當(dāng)應(yīng)力發(fā)生在橫艙壁與甲板連接處，最大合成應(yīng)力在甲板強橫梁上，且應(yīng)力最終由強骨架和橫艙壁承受。駕駛甲板及下圍壁的板的最大相當(dāng)應(yīng)力發(fā)生在側(cè)圍壁開口處，此處也正是結(jié)構(gòu)最弱處，設(shè)計時應(yīng)考慮局部加強。羅經(jīng)甲板及下圍壁的板的最大相當(dāng)應(yīng)力發(fā)生在前圍壁與側(cè)圍壁連接處，由于前圍壁和側(cè)圍壁窗子的開口，此處的結(jié)構(gòu)相當(dāng)薄弱，應(yīng)力集中，設(shè)計時應(yīng)考慮加強。

當(dāng)載荷以及其他條件都不變時，只是局部改變羅經(jīng)甲板前圍壁與側(cè)圍壁連接處的板厚（即應(yīng)力集中處）時，計算發(fā)現(xiàn)其他結(jié)件不變處的應(yīng)力幾乎不變，板厚變化處應(yīng)力有明顯變化，厚度改變處板和骨材的應(yīng)力隨此處板厚度改變的關(guān)系如圖5～6。由圖5可知，板的厚度越厚，此處板的相當(dāng)應(yīng)力越小，可是隨著板的厚度增加，應(yīng)力的減小幅度越來越小。即在板厚度較小時，增加板厚可以明顯的減小板的應(yīng)力，當(dāng)板厚度增大到一定時，通過增加板厚來減小板的應(yīng)力效果不明顯。由圖6也可知，當(dāng)骨材尺寸不變時，增大板的厚度可以減小此處骨材應(yīng)力，但當(dāng)板的厚度增大到一定時，骨材應(yīng)力的減小變得越來越平緩。

4結(jié)論

根據(jù)以上計算結(jié)果可知本船上層建筑按直接計算校核的構(gòu)件及板材，其尺寸及厚度滿足局部強度的要求。同時通過仿真分析發(fā)現(xiàn)：

（1）結(jié)構(gòu)主要由強構(gòu)件和橫艙壁承擔(dān)應(yīng)力。

（2）最大應(yīng)力發(fā)生在大的開口處（即結(jié)構(gòu)薄弱處），設(shè)計時應(yīng)考慮此處的結(jié)構(gòu)加強。

（3）當(dāng)其他條件都不變時，局部改變應(yīng)力集中處板厚時，發(fā)現(xiàn)板厚越厚，此處的應(yīng)力減小;且板厚度較小時，增加板厚對減小板的應(yīng)力明顯，當(dāng)板厚度增大到一定時，增加板厚，板應(yīng)力減小效果并不明顯。

參考文獻：

[1]王世杰.上層建筑鋁合金結(jié)構(gòu)尺寸的優(yōu)化設(shè)計[J].江蘇船舶，2010，27（06）：18-19+22.

[2]崔立.鋁合金艦船結(jié)構(gòu)設(shè)計中相關(guān)問題探討[J].船海工程，2008，37（06）：36-37.

[3]中國船級社.海上高速船入級與建造規(guī)范[M].北京：人民交通出版社，2005.

[4]管義鋒，黃渙青，谷家揚，馬衛(wèi)澤.雙體鋁合金高速客船強度有限元分析研究[J].船舶工程，2011，33（06）：14-17.

[5] 中國船級社.國內(nèi)航行海船建造規(guī)范[M].北京：人民交通出版社，2009.