雙體客船上層建筑鋁合金結構強度研究

黃燕玲 潘甜 張曉丹

摘 要：上層建筑鋁合金結構設計時可以不遵照傳統的規范設計法，而是應用強度理論及ANSYS 程序或運用MSC Patran/Nastran程序進行有限元設計，這樣一方面可以確保設計中所選擇的鋁合金構件滿足強度要求，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構強度，得出上層建筑應力分布情況，證明選取的上層建筑的構件尺寸滿足局部強度的要求，為結構尺寸的設計提供參考。并在其他條件都不變時，局部改變羅經甲板前圍壁與側圍壁連接處（即應力集中處）板厚，得出板厚與應力的關系，發現板厚越厚，此處板的應力減小;且板厚度較小時，增加板厚對減小板的應力效果明顯，當板厚度增大到一定時，增加板厚，板應力減小幅度并不大。

關鍵詞：鋁合金上層建筑;結構強度;數值計算

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

隨著社會的不斷發展，船東對船舶性能的要求越來越高，但中小型船舶本身質量卻是影響船舶性能的一個重要因素。經過對各種造船材料的分析對比，發現鋼質材料具有價格低、易加工成型、易于維修保養、耐碰撞等優點，因而主船體結構采用鋼材較為理想，可以使其強度、剛度、結構穩定性得到保障。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，現代艦艇航海儀器設備和武器裝備的增加，使艦艇上部重量增加，穩性變壞。因此減輕船重，降低船舶重心以保證船舶穩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點，如結構重量輕，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構的強度，得出應力分布情況，為結構設計提供參考依據。并對比了在其他條件都不變時，局部改變羅經甲板前圍壁與側圍壁連接處（即應力集中處）板厚，得出板厚與應力的關系，發現板厚越厚，此處板的應力減小;且板厚度較小時，增加板厚對減小板應力效果明顯，當板厚度增大到一定時，增加板厚，板應力減小幅度并不大。

1模型概述

根據《海上高速船入級與建造規范（2005）》以及《國內航行海船建造規范（2009）》（以下簡稱《海規》）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，計算分析獲取應力分布和變形規律。

整個模型范圍為整個上層建筑。甲板板及圍壁結構采用二維3、4節點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構件尺寸

游步甲板及下圍壁的主要構件的尺寸見表1。駕駛甲板以及羅經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《海規》，在圍壁結構下緣節點上施加全位移約束：、、、、、，即剛性固定。

2.3計算載荷

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

2.4 許用應力

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》中許用應力的有關規定，板材許用應力，骨材的許用應力為，其中為鋁合金交貨狀態下的規定非比例伸長應力。

3計算結果分析

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

由圖2可知，游步甲板及下圍壁的板的最大相當應力發生在橫艙壁與甲板連接處，最大合成應力在甲板強橫梁上，且應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應力發生在側圍壁開口處，此處也正是結構最弱處，設計時應考慮局部加強。羅經甲板及下圍壁的板的最大相當應力發生在前圍壁與側圍壁連接處，由于前圍壁和側圍壁窗子的開口，此處的結構相當薄弱，應力集中，設計時應考慮加強。

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

4結論

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

（1）結構主要由強構件和橫艙壁承擔應力。

（2）最大應力發生在大的開口處（即結構薄弱處），設計時應考慮此處的結構加強。

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

參考文獻：

[1]王世杰.上層建筑鋁合金結構尺寸的優化設計[J].江蘇船舶，2010，27（06）：18-19+22.

[2]崔立.鋁合金艦船結構設計中相關問題探討[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范[M].北京：人民交通出版社，2005.

[4]管義鋒，黃渙青，谷家揚，馬衛澤.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.國內航行海船建造規范[M].北京：人民交通出版社，2009.