鋁合金高速船內(nèi)裝輕量化設(shè)計

中圖分類號：U671 文獻標志碼：A

Lightweight Outfitting Design for Aluminum Alloy High-Speed Vessels

GUO Zhifeng， LIN Chunxin， ZHAN Xibo （Afai Southern Shipyard （Panyu Guangzhou） Co.，Ltd.，Guangzhou 511431， China）

Abstract： Weight control is a critical factor in enhancing the speed performance of aluminum alloy high-speed vessels，with the outfiting system accounting fora significant proportion of the lightweight displacement.This study systematically addresss lightweight design strategies for vessel interiors from three perspectives： material selection for outfitting components，optimization of interior equipment，and structural configuration of outfitting systems. The proposed measures effectively reduce outfiting weight while maintaining functional requirements，thereby improving vesselspeedandoperational efciency.Through these technical measures，the interior outfiting Weight has been effectively reduced， thereby achieving optimized enhancement in the speed performance of aluminum alloy high-speed vessels.

Key words： aluminum alloy; high-speed vessel; outfitting design; lightweight

1 引言

鋁合金高速船的市場需求量在不斷增加，提高航速有利于縮短旅客的行程時間、有利于救助船、消防船快速進行海上救援、有利于緝私船進行高效緝私、有利于引航船完成高效引航、有利于風電運維船更高效率、更低成本解決海上風電場的交通、運維及值守等問題。因此，在同等主機功率前提下，人們對鋁合金高速船的航速提出了更高的要求。國內(nèi)鋁合金高速船技術(shù)經(jīng)過近十多年的發(fā)展，在快速性技術(shù)方面不斷取得突破，動力系統(tǒng)、船體線型、結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化、船舶總重量的控制等方面也獲得了整體提升。其中，鋁合金高速船內(nèi)裝重量在船舶總重量中占了較高的比重，因此，內(nèi)裝設(shè)計輕量化是鋁合金高速船實現(xiàn)航速提升的關(guān)鍵技術(shù)途徑之一，開展鋁合金高速船內(nèi)裝輕量化設(shè)計的研究就顯得十分必要。

鋁合金高速船內(nèi)裝輕量化設(shè)計主要從內(nèi)裝材料選型、內(nèi)裝設(shè)備選型、內(nèi)裝結(jié)構(gòu)形式三個方面進行闡述。

2 內(nèi)裝材料選型

2.1內(nèi)裝材料簡介

船舶內(nèi)裝材料的應用貫穿于從船舶開工、上船臺、下水至交船的整個船舶建造的全過程。而在整個船舶產(chǎn)品的形成過程中，選擇合適的材料是非常關(guān)鍵的[l。內(nèi)裝材料包含骨材、基層板、面層、地板及收口線條。鋁合金骨材有方形鋁管、角鋁及帶筋鋁板；基層板材料有標準厚度為 6 m m ！ 1 0 m m ！ 1 2 m m 、1 5 m m 、 2 0 m m 、 2 5 m m 等厚度的鋁蜂窩板、有標準厚度為 3 0 m m 、 5 0 m m 、 的復合巖棉板、條形沖孔鋁扣板、條形鋁扣板、方形沖孔鋁扣板及方形鋁扣板；面層有PVC防火板、石材、金屬、木材、布藝及玻璃鋼。地面材料有PVC地板膠、橡膠地板、地毯、多層實木復合地板及實木地板。收口線條有鋁質(zhì)卷印收口條、鋁質(zhì)收口條、木制收口條及塑料收口條。

2.2內(nèi)裝材料選型

進行船舶內(nèi)裝設(shè)計時，內(nèi)裝材料一般須滿足阻燃、耐污染、耐油污、耐腐蝕、防潮、低甲醛等船用要求，除了需要符合生產(chǎn)的加工條件外，還需滿足人們的審美需求和綠色環(huán)保。鋁材重量輕，且具有良好的延展性、耐用性和加工性能。此外，鋁合金高速船的外殼采用鋁質(zhì)材料制成，鋁質(zhì)品可以直接與鋁質(zhì)外殼焊接連接，施工性能良好。因此，在眾多輕質(zhì)材料如鋁、鎂和鈦合金中，鋁質(zhì)品是內(nèi)裝材料的最佳選擇。

船用基層板材料主要有標準厚度為 6 m m 、1 0 m m 、 1 2 m m 、 1 5 m m 、 2 0 m m 、 2 5 m m 的鋁蜂窩板，它們的單位重量分別約 一 、 3 . 9 6 k g / Ω 、 、 、 。標準厚度為3 0 m m 、 5 0 m m ！ 的復合巖棉板，它們的單位重量分別約 、 、 。我們通常選用鋁蜂窩板做鋁合金高速船內(nèi)裝基層板，這樣對于約40米級鋁合金高速船而言，最大可以減重約

對船舶艙室進行設(shè)計時，合理利用各種質(zhì)地、色彩、肌理以及明暗對比，通常能夠形成更加明顯的效果，可迅速引起注意，同時還會刺激到視覺感官，有利于視覺效果大大增強[2]。

采用鋁蜂窩板做基層板時，它的表面顏色單一，在實際應用中，為了提升船舶艙室的美觀性，可根據(jù)需要在鋁質(zhì)地板或墻面等產(chǎn)品的表面裝貼環(huán)氧地坪、實木、大理石、金屬板、瓷磚等裝飾面層。這些裝飾面層雖然美觀，但總體來說其單位面積重量過大，與鋁合金高速船內(nèi)裝輕量化設(shè)計相悖。

相比之下，PVC防火板或PVC地板等輕質(zhì)材料做為裝飾面層，色彩豐富，裝飾性強，更適合鋁合金高速船的內(nèi)裝輕量化。墻面采用PVC阻燃防火板的單位面積重量較輕，這樣在滿足一定裝飾需求的同時，不會給船舶內(nèi)裝帶來過大的重量負擔。

當然，為避免鋁質(zhì)產(chǎn)品本身冷冰冰的觀感，為進行輕量化處理，采取噴涂或轉(zhuǎn)印阻燃油漆也是一個可選做法。噴涂或轉(zhuǎn)印阻燃油漆在增加視覺效果的同時，幾乎不會增加額外的重量，對船舶內(nèi)裝的輕量化影響較小。

以一艘 4 0 m 級的鋁合金高速船為例，墻面裝飾面層材料重量對比如表1所示，地板裝飾材料面層重量對比如表2所示。通過對不同裝飾材料的單位面積重量以及船舶墻面、地板的面積進行計算分析，在墻面采用PVC阻燃防火板、地板采用PVC阻燃地板的情況下，與部分傳統(tǒng)裝飾材料相比，所能達到的最大減重約為

3 內(nèi)裝設(shè)備

內(nèi)裝設(shè)備包含客艙座椅、窗簾、沙發(fā)、門、窗、家具等。

在進行內(nèi)裝輕量化設(shè)計時，內(nèi)裝設(shè)備主要在滿足功能性、可用性等方面的前提下進行減重。相對于鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)，鋁合金的密度是鋼的大約三分之一，因此金屬材料部分盡可能采用鋁合金材料。

通常選用鋁合金結(jié)構(gòu)的座椅，其框架、腳架、支撐橫梁采用高強度鋁合金材料，并配備舒適的定型防火海綿坐墊和防火海綿背墊的輕型座椅，整個座椅具有高強度、外形優(yōu)美和輕量化等特點。一張鋁合金結(jié)構(gòu)的座椅重量約為 1 1 k g ，一張鋼結(jié)構(gòu)的座椅重量約為2 0 k g 。對于 4 0 m 級鋁合金高速船而言，船上約有200張座椅，最大可以減重約為

皮質(zhì)和布藝沙發(fā)，則使用鋁蜂窩板制作沙發(fā)底座，可在保持其結(jié)構(gòu)強度和穩(wěn)定性前提下有效地減輕重量；沙發(fā)座墊和靠背不采用傳統(tǒng)框架，而是在皮質(zhì)或布藝外部面料的內(nèi)部直接采用高回彈海綿填充。這種設(shè)計不僅提供了舒適的坐感和背部支撐感，還進一步降低了沙發(fā)的重量。

艙室門和舷窗，采用輕質(zhì)鋁質(zhì)風雨密門和窗，既能保證艙室密閉性和風雨防護能力，又減輕了整體重量。鋁質(zhì)材料的耐腐蝕性和耐久性也使得這些門和窗具有更長使用壽命。

窗簾，除了要與室內(nèi)空間的色彩和花紋相搭配外，面料宜選用聚酯纖維、亞麻、棉麻、絨布、真絲等輕質(zhì)材料。

家具，書桌及柜子使用 1 5 m m 鋁蜂窩板制作柜體和門頁，鋁蜂窩板由兩層鋁板之間夾著蜂窩狀鋁芯材制成，這種結(jié)構(gòu)既有較好的強度和剛度，船舶家具中使用這種材料，顯著降低整體重量。

廚柜臺面采用不銹鋼板而非大理石，不銹鋼具有良好的耐腐蝕和易清潔性能，相較于大理石，不銹鋼具有更輕重量和更高耐用性，非常適合作為廚房臺面材料，特別是在海上高鹽高濕的環(huán)境下。

綜上所述，普通船舶通常選用鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)的座椅、復合巖棉板制作家具的骨架，而鋁合金高速船通過在沙發(fā)、艙室門以及家俱等不同部位選用更輕質(zhì)但性能優(yōu)良的材料，如鋁蜂窩板、輕質(zhì)鋁材料、不銹鋼板等，并采用優(yōu)化的設(shè)計結(jié)構(gòu)（如沙發(fā)座墊和靠背的直接填充方式），有效地減輕了重量，對于 4 0 m 級鋁合金高速船而言，最大可以減重約為

4 內(nèi)裝結(jié)構(gòu)形式

4.1概述

船舶內(nèi)裝輕量化設(shè)計是保證船舶安全性原則的前提下開展，包括材料安全、結(jié)構(gòu)安全、防火安全。因此船舶內(nèi)裝結(jié)構(gòu)形式輕量化是在不犧牲功能及安全性的前提下，采用輕質(zhì)材料或減少組件中的材料量來降低整體重量。

4.2天花結(jié)構(gòu)形式

天花結(jié)構(gòu)分為天花板骨架和天花板兩部分。天花結(jié)構(gòu)的功能包括防火、隔熱、吸聲、裝飾等功能，應在不同的艙室功能需求基礎(chǔ)上開展輕量化設(shè)計。圖1為典型天花結(jié)構(gòu)示意圖。

1）在安裝天花骨架前，有防火和隔熱需要的首先需要在上層建筑結(jié)構(gòu)梁及帶筋板表面輔設(shè)防火棉等防火、隔熱材料，將吊架焊接在上層建筑結(jié)構(gòu)梁上，然后依次將天花三角龍骨固定在主龍骨上，方形扣板固定在天花三角龍骨上。鋁合金天花骨架單位面積重量約為 ；鋼制天花骨架單位面積重量約為 ·木制天花骨架單位面積重量約為 。以一艘 4 0 m 級鋁合金高速船為例，艙內(nèi)天花面積約 ，采用鋁合金天花骨架最大可以減重約

2）天花板

天花板材料有鋁蜂窩板、沖孔鋁扣板、方型或條形鋁扣板以及其他特殊材質(zhì)。沖孔鋁扣板的單位重量最小，為了減輕整體重量，應盡量多采用沖孔鋁扣板，少采用鋁蜂窩板和鋁扣板。如，天花兩側(cè)風機盤管部位，采用 6 m m 鋁蜂窩板進行裝飾時，為減輕重量，應盡量控制鋁蜂窩板尺寸。在天花中間部分，采用大面積的沖孔鋁扣板，這不僅簡潔、開闊、方便維修，還減輕了重量。此外，還可以采用鋁蜂窩板制作造型天花。在特定條件下，即如，天花上方至少還有一層建筑物，且天花內(nèi)部不需要進行隔熱處理時，可以直接在船舶原有的結(jié)構(gòu)上刷拋光裝飾漆。這種設(shè)計不僅大大減輕了內(nèi)裝重量，還能體現(xiàn)出結(jié)構(gòu)自身美感。

4.3墻面結(jié)構(gòu)形式

墻面的安裝方式根據(jù)裝修面的數(shù)量分為單壁和雙壁。墻面的裝飾包括骨架、基層和面層三個部分。骨架通常采用 3 × 2 5 × 2 5 m m 角鋁和 2 . 5 × 2 5 × 3 5 m m U型鋁材。為了減輕船舶內(nèi)裝的重量，單壁和雙壁根據(jù)不同的情況采用不同的骨架材料。在船舶的艙壁板的背面做單壁裝飾時，骨架采用單位重量較輕的 3 × 2 5 × 2 5 m m 角鋁就足夠強度了。而在船舶的艙壁板的正面做單壁裝飾時，則不使用任何骨架，直接在艙壁板上粘接基層。所謂雙壁，即采用裝修層作為獨立壁板，為了保證強度，骨架選用強度比較高的2 . 5 × 2 5 × 3 5 m mU 型鋁材。為保持美觀，基層使用膠水直接粘接在骨架上?；趶姸群椭亓靠刂埔?，可選擇 1 0 m m 的鋁蜂窩板作為基層材料。鋁蜂窩板表面可以通過粘接一層帶有仿紋理PVC防火板，來實現(xiàn)各種紋理材質(zhì)的內(nèi)裝效果。這樣不僅可以取得較好的石材、金屬、木材和布藝的內(nèi)裝效果，還能有效地減輕內(nèi)裝重量。鋁合金 3 × 2 5 × 2 5 m m 角鋁骨架單位面積重量約為 ；鋁合金 3 × 2 5 × 2 5 m mU 型鋁材骨架單位面積重量約為 ；鋼質(zhì)骨架單位面積重量約為 ；木制骨架單位面積重量約為 。以一艘40 級鋁合金高速船為例，艙內(nèi)墻壁面積約 ，最大可以減重約 單壁結(jié)構(gòu)如圖2所示，雙壁結(jié)構(gòu)如圖3所示。

4.4 窗柱結(jié)構(gòu)形式

窗簾有兩種形式：明裝式和隱藏式。安裝哪種形式的窗簾決定了窗柱的結(jié)構(gòu)形式。采用明裝式窗簾時，窗簾的軌道和裝置直接安裝在窗柱的外表面，窗柱采用方形鋁方通，為減輕重量，鋁方通表面不加裝任何裝飾面板，而是直接噴涂油漆進行裝飾；采用隱藏式窗簾時，窗柱使用帶有凹槽的鋁方通，便于將窗簾的軌道直接安裝在凹槽內(nèi)，從而省去了很多不必要的裝飾面板，減輕了重量。明裝窗簾如圖4示，隱藏式窗簾如圖5所示。

5 結(jié)語

重量控制是提升鋁合金高速船航速的核心要素之一。在鋁合金高速船的整體重量構(gòu)成中，內(nèi)裝部分的重量約占據(jù)空船重量的十分之一。因此，開展內(nèi)裝輕量化設(shè)計對于提升鋁合金高速船的航速具有重要意義。本文緊密結(jié)合鋁合金高速船內(nèi)裝工程的特點，從內(nèi)裝材料選型、內(nèi)裝設(shè)備選型以及內(nèi)裝結(jié)構(gòu)形式這三個方面，以 4 0 m 級鋁合金高速船為對象，系統(tǒng)地闡述了鋁合金高速船內(nèi)裝輕量化設(shè)計的具體措施。通過實施這些措施，可實現(xiàn)減重約 由于船舶重量的減輕，船舶的吃水和航行水阻力得以減小，依據(jù)船舶航行性能與重量關(guān)系的相關(guān)理論和實踐經(jīng)驗，對于一艘 4 0 m 級鋁合金高速船來說在同等主機功率的條件下，每減重 1 0 t ，船舶航速大約可以提高一節(jié)。據(jù)此推算，該4 0 m 級鋁合金高速船，在減重約 1 8 . 8 t 后，其航速大約可以提高 1 . 8 8 k n ，每小時可以節(jié)省0.03t燃油，這不僅提升了鋁合金高速船的快速性能，提高了燃油效率，還減少了碳排放。值得一提的是，相關(guān)措施已在鋁合金高速船領(lǐng)域經(jīng)過了多年的實踐驗證，可為行業(yè)內(nèi)其他船舶的內(nèi)裝輕量化設(shè)計提供頗具意義的參考。

參考文獻

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