鋼鋁混合雙體沿海客船結(jié)構(gòu)設(shè)計

吳猛 黃渙青 石科良 朱繼欣

摘? ? 要：雙體船應(yīng)用較為廣泛，本文重點闡述了雙體客船結(jié)構(gòu)設(shè)計中的技術(shù)要點，并借助有限元計算軟件對某型鋼鋁混合雙體沿海客船總強度進行分析，并根據(jù)計算結(jié)果對其設(shè)計方案提出建議。

關(guān)鍵詞：雙體客船;結(jié)構(gòu)設(shè)計;強度分析;鋼鋁混合

中圖分類號：U663.2? ??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A

Abstract：? At present， catamarans are widely used. This paper focuses on the technical key points in the structural design of passenger catamaran， analyzes the total strength of a certain type steel-aluminum mixed coastal passenger catamaran with the finite element calculation software， and makes suggestions for the structural design according to the calculation results

Key words： Passenger Catamaran; Structural design; Strength analysis; Steel-aluminum mixed structure

1? ? 引言

雙體船憑借其穩(wěn)性好、甲板面積大、外觀新穎等特點，在民船、軍船和海洋工程中得到迅速發(fā)展，尤其在客船領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛。

雙體船主船體由兩側(cè)的片體和連接橋組成，甲板面積較為寬闊，同時兩個片體瘦而長以減小其所受興波阻力。獨特的船體結(jié)構(gòu)形式必然導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)載荷及強度特點與單體船有所不同。在雙體船結(jié)構(gòu)設(shè)計和強度計算時會產(chǎn)生較多的技術(shù)難點，如全船結(jié)構(gòu)重量控制、連接橋與片體的連接形式及加強、首尾抗扭結(jié)構(gòu)的設(shè)置、船體空間狹小施工難等一系列問題。

本文介紹了鋼鋁混合雙體沿海客船的結(jié)構(gòu)設(shè)計，闡述了設(shè)計過程中的技術(shù)要點和應(yīng)予關(guān)注的問題，并對其連接橋進行結(jié)構(gòu)強度有限元分析計算，以評估其結(jié)構(gòu)強度是否合理等，從而得出一些設(shè)計經(jīng)驗，可為后續(xù)類似船舶設(shè)計時提供參考。

2? ? 鋼鋁混合雙體客船結(jié)構(gòu)設(shè)計

雙體客船船體結(jié)構(gòu)設(shè)計參照中國船級社《國內(nèi)航行海船建造規(guī)范》（2018）（以下簡稱《規(guī)范》）、《船舶與海上設(shè)施法定檢驗技術(shù)規(guī)則》2011及最新修改通報（以下簡稱《規(guī)則》）的有關(guān)要求進行設(shè)計和構(gòu)件加強。

2.1? 結(jié)構(gòu)設(shè)計形式特點

典型鋼鋁混合雙體客船主船體部分由左右兩個單片體和中間連接橋組成，為鋼質(zhì)全焊接結(jié)構(gòu)。其中，片體為連續(xù)甲板、單殼，主船體片體和連接橋通常采用橫骨架式結(jié)構(gòu)，并對連接橋位于首尖艙和尾尖艙的區(qū)域設(shè)置抗扭箱以提高抗扭能力。

上層建筑采用大跨度框架結(jié)構(gòu)以增加其內(nèi)部空間的通透性，甲板骨架采用縱骨架式，客艙側(cè)壁為大開口玻璃幕墻。

2.2? 總強度計算

依據(jù)《規(guī)范》要求，雙體船總強度需進行直接計算。

3? ?設(shè)計實例及總強度計算分析

3.1? 設(shè)計實例簡介

以某航行于珠江及附近海域（沿海航區(qū)）的300客位鋼鋁混合雙體客船為例進行，全船結(jié)構(gòu)設(shè)計，并建立全船結(jié)構(gòu)有限元模型。根據(jù)《規(guī)范》對其連接橋區(qū)域的總橫強度和扭轉(zhuǎn)強度進行校核。

該船主要用于海上觀光和旅游交通;船體為雙體、雙機、雙槳、雙舵、尾機型，主船體為鋼質(zhì)全焊接結(jié)構(gòu)，上層建筑客艙區(qū)域為鋁合金材料。該船主尺度參數(shù)如下，典型橫剖面見圖1。

3.2? 結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)要點

鋼鋁混合雙體客船結(jié)構(gòu)設(shè)計有其獨特的技術(shù)難點，在設(shè)計過程中以滿足《規(guī)范》和《法規(guī)》要求為前提，在設(shè)計過程中須重點關(guān)注以下問題：

（1）全船結(jié)構(gòu)重量控制

由于要保證一定的航速且客船排水量較小，要求盡可能降低船體結(jié)構(gòu)重量，可將上層建筑改用鋁合金材料，既保證了鋼質(zhì)主船體擁有足夠的強度和剛度，又降低了整船的結(jié)構(gòu)重量和重心;

（2）設(shè)置強框架

客船上層建筑強框架的間距將直接影響側(cè)壁大開口窗戶玻璃設(shè)置的美觀性，因此在設(shè)計時要進行全局考慮。同時，連接橋的強構(gòu)件須與主船體強框架在同一平面，形成完整的橫向框架結(jié)構(gòu);

（3）考慮局部狹小空間的施工要求：雙體船片體一般瘦而長導(dǎo)致橫向空間較窄，尤其是首尖艙部分區(qū)域。在設(shè)計時應(yīng)提前考慮施工因素，如采取局部塞焊或者鑄鋼件代替等;

（4）合理選取構(gòu)件規(guī)格

須注意鋁合金型材的彈性模量只有鋼材的約1/3，在選取構(gòu)件規(guī)格時應(yīng)考慮變形的影響;

（5）防火等級對結(jié)構(gòu)的影響

鋁合金的防火性能較鋼低，而客船對防火要求比較高，因此對于在選擇鋁合金尺寸的同時還應(yīng)考慮防火等級的要求，在選擇用鋼材時應(yīng)考慮防火芯材的等效替換計算;

（6）鋁合金材料和鋼材的連接形式

目前鋼鋁復(fù)合材料的有效焊接已被廣泛應(yīng)用，并取得良好效果。但是鋼鋁復(fù)合接頭位置的選取應(yīng)特別注意，鋼鋁復(fù)合材料盡可能的選取標(biāo)準(zhǔn)件，且應(yīng)保持在同一平面，在縱向受力板件中應(yīng)用鋼鋁復(fù)合材料時應(yīng)盡可能使接頭縫成45°角設(shè)置;

（7）抗扭箱的設(shè)置

雙體船在斜浪中連接橋的扭轉(zhuǎn)強度需在設(shè)計時考慮，可在首尾扭轉(zhuǎn)變形較大區(qū)域設(shè)置抗扭箱，并采用有限元方法進行直接計算進行驗證;

（8）連接橋底封板的設(shè)置

對于連接橋區(qū)域，有設(shè)置底封板和不設(shè)置底封板兩種方案：設(shè)置底封板可有效保護連接橋構(gòu)件，但會增加結(jié)構(gòu)重量;但設(shè)置底封板可以提高雙體船抗橫彎的能力。因此，設(shè)計時如果全船結(jié)構(gòu)重量允許的情況下，建議設(shè)置底封板以增強其抗橫彎能力;

（9）上層建筑采用大跨度桁架設(shè)計

為避免影響客艙的使用和美觀，應(yīng)盡量不設(shè)或少設(shè)置支柱;在設(shè)計構(gòu)件大小時，必須綜合考慮層高、跨距及輪機、舾裝、電氣等各專業(yè)間的協(xié)調(diào)。主要是通風(fēng)管道和內(nèi)部裝修對層高的影響， 必要時可采用箱型梁有效增大構(gòu)件的強度而降低構(gòu)件高度，同時須注意箱型梁腹板和面板比例的協(xié)調(diào)。

3.3? 總強度計算

3.3.1模型范圍及單元類型

有限元模型取主甲板以下的全船結(jié)構(gòu)，具體的模型范圍如下：縱向范圍為從尾封板至船首;橫向范圍為全寬;垂向范圍為從船底至主甲板處。

模型片體/連接橋甲板、舷側(cè)板、片體/連接橋底板、橫艙壁/橫隔板、縱桁、強橫梁以及各強構(gòu)件腹板、主機座縱桁、面板、橫隔板等，均采用二維3、4節(jié)點殼單元模擬;其它縱骨、加強筋以及強構(gòu)件面板等，用2節(jié)點梁單元模擬。

3.3.2? 邊界條件及載荷

（1）邊界條件

對于處于平衡狀態(tài)的整船有限元模型，可采用《規(guī)范》中表4.2.1及圖4.2.1設(shè)置邊界支點及約束條件。

（2）載荷計算

若雙體客船具有以下特征：L≤60 m、L/D ≤15、B/D≤3.5、b1/B ≤0.4，可按《規(guī)范》18.3.2確定船舶的總載荷。該船主要參數(shù)滿足上述特征，故可根據(jù)《規(guī)范》18.3.2公式計算載荷，計算結(jié)果如下（見表1）。

（3）載荷施加

連接橋總橫彎矩Mbx，可通過與片體內(nèi)側(cè)系列節(jié)點上施加橫向?qū)﹂_力等效進行計算。

橫向?qū)﹂_力fy按下式計算：

（1）

式中：Mbx—連接橋總橫彎矩，kN·m;

z—橫向?qū)﹂_力施加點至連接橋中縱剖面中和軸的垂向距離，m;

n—單個片體施加橫向?qū)﹂_力的節(jié)點總數(shù)。

橫向?qū)﹂_力分別施加在每個片體各肋位的平板龍骨中點。

連接橋的總橫扭矩Mty，可通過反對稱分布在片體中縱剖面內(nèi)的垂向均布力等效施加。反對稱分布是指垂向均布等效力，即關(guān)于雙體船中縱剖面反對稱和關(guān)于中橫剖面反對稱，等效的垂向分布載荷Px由下式計算：

（2）

式中：L—雙體船船長，m;

Mty—連接橋扭矩。

按船長計算，求得等效的垂向分布載荷Px=27100 N/m。

3.3.3? 計算工況

計算工況參考《規(guī)范》規(guī)定，該船小于50 m，校核6種載荷組合工況（見表2）。

3.3.4 強度衡準(zhǔn)及計算結(jié)果

（1）屈服強度許用應(yīng)力

根據(jù)《規(guī)范》，屈服強度許用應(yīng)力見表3;梁單元《規(guī)范》并未規(guī)定許用衡準(zhǔn)，其組合應(yīng)力將參考板單元相當(dāng)應(yīng)力衡準(zhǔn)（200 MPa）進行評估。

（2）屈曲強度評估衡準(zhǔn)

屈曲強度評估參考《規(guī)范》要求，即甲板及艙壁的標(biāo)準(zhǔn)減薄厚度為1 mm，甲板及艙壁的最小屈曲安全因子為0.8。

（3）計算結(jié)果

連接橋應(yīng)力計算結(jié)果匯總，見表4。 對連接橋甲板及橫艙壁應(yīng)力較大的板格進行屈曲強度校核。根據(jù)校核結(jié)果，該船連接橋及艙壁支撐結(jié)構(gòu)的屈服及屈曲強度均滿足《規(guī)范》要求。

4? ?結(jié)論

（1） 對于鋼鋁混合客船的設(shè)計，鋁合金材料與鋼材的連接形式和位置相當(dāng)關(guān)鍵，直接影響全船結(jié)構(gòu)強度和安全。在此類船設(shè)計中選用鋼鈦復(fù)合材料且盡可能使連接斷面選取在同一型深方向上，有利于全船強度和施工要求;

（2） 施加總橫彎矩時，位于橫艙壁附近的主甲板及連接橋底板易出現(xiàn)應(yīng)力集中，尤其是位于主甲板和升高甲板的結(jié)構(gòu)突變位置，這部分區(qū)域的主甲板及連接橋底板需要進行適當(dāng)加厚;

（3） 施加總橫彎矩時，在連接橋與片體連接位置產(chǎn)生較大應(yīng)力，對該處強肋骨或橫艙壁部分區(qū)域采取局部加強，同時該區(qū)域的連接橋橫向強構(gòu)件采取端部放大或加厚板的方法以增加強度;

（4） 施加總橫扭矩時，在首尾抗扭箱位置產(chǎn)生較大應(yīng)力，須對抗扭箱的結(jié)構(gòu)形式和強度重點關(guān)注，可采取適當(dāng)加厚橫隔板、采用高強鋼或?qū)M隔板插入船殼內(nèi)部的連接形式，以提高抗扭箱的強度。

參考文獻

[1] 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（6）.

[2] 吳先彪，熊云峰，駱婉珍. 鋼質(zhì)雙體客船結(jié)構(gòu)總強度有限元分析[J].艦? ?船科學(xué)技術(shù)，2014（5）.

[3] 馮堅，谷家揚. 11.9 m雙體交通艇總強度有限元分析[J].江蘇船舶，?2010（3）.

[4] 中國船級社. 國內(nèi)航行海船建造規(guī)范[S]，2018.

[5] 中華人民共和國海事局. 船舶與海上設(shè)施法定檢驗技術(shù)規(guī)則[S]，2011.