槽型艙壁在輕圍壁設計中的應用研究

張韶華，尚朝陽，張全鋼

（滬東中華造船集團（有限）公司，上海 200129）

1 引言

出于艙室劃分的需要，船舶設計中需要通過布置輕圍壁的方式，將甲板不同區域分隔開，以滿足不同的功能需要。這一類輕圍壁不參與船體強度，只要求一定剛性，通常板厚較小，在裝配、焊接、吊裝和運輸等過程中極易產生變形，從而影響美觀度和裝配精度。近年來，客戶對于船舶的建造質量和精度要求越來越高，生產周期也不斷縮短。在船舶結構設計中，槽型艙壁由于其自身具有的重量輕、變形小、施工難度低等優點，被用于替代傳統的帶筋平面圍壁，槽型艙壁在船舶領域的應用問題，得到了越來越多學者的關注。

吳建祥等研究了鉆井平臺平面艙壁改為槽型艙壁問題，并進行了有限元計算，結果證明槽型艙壁滿足強度及生產需要[1]。黃磊和楊平通過ANSYS 軟件研究了槽型艙壁的各種要素對槽型艙壁極限承載力的影響[2]。郭勤靜等則通過有限元分析，對不同槽型艙壁端部節點設計方案進行了優選[3]。李平書和吳嘉蒙根據CSR 規范，得出了一種槽型艙壁描述性強度的計算方法，并基于彎曲強度提出了多目標優化算法[4]。劉盈漢等研究了槽型艙壁制作與運輸過程中的精度不足和變形的問題，并給出了相應對策[5]。以上學者的研究多集中于槽型艙壁的強度分析，在實際應用中考慮需要更加全面，例如在輕圍壁設計中，強度并不是關鍵因素。本文以某型船輕圍壁設計中的槽型艙壁應用為對象，通過強度計算、布置及節點優化等方面對于槽型艙壁的設計應用進行了研究，對于槽型艙壁在船舶結構設計中的應用有一定的參考價值。

2 槽型壁概況

槽型艙壁是由平面板壓制或焊接而成，剖面形狀有三角形、矩形、梯形等，在船體結構設計中通常采用槽型艙壁來替代平面艙壁，具有減重、減少焊接、便于清艙等方面的優點。

在船舶設計中，輕圍壁板厚一般較小，在焊接、裝配、運輸等過程容易產生變形，使用壓制的槽型艙壁替代可以有效減少焊接工作量和變形，同時可以減輕結構重量。

2.1 減少焊接工作量及焊接變形

由于槽型艙壁以其壁上的曲折來代替平面艙壁上扶強材的作用，因此減少了扶強材、肘板等的焊接工作量。當平面板與扶強材裝焊時會產生焊接變形，而槽型艙壁自身以冷加工曲折代替扶強材的作用，因此槽型艙壁可以減少裝焊扶強材產生的變形；其次槽型艙壁之間平對接時，對接焊縫焊接變形也小于普通輕圍壁對接；最后，運輸和吊裝過程中的受力，也會使輕圍壁發生形變，槽形壁的抗變形效果則較好，所以使用槽型艙壁可以有效提高輕圍壁的成形質量。

圖1 輕圍壁變形

2.2 減輕結構重量

合理選取槽型尺寸及間距，在滿足強度要求的情況下可以減輕槽型艙壁結構重量，且不需要扶強材加強，減少了扶強材與焊接重量。在層高2.4m，長度9m 的條件下，對兩種類型圍壁進行的重量進行比較，如表一所示，采用槽型艙壁替代后結構重量可以降低18.6% 。

表1 兩種類型圍壁重量分項比較

3 強度與剛性計算

輕圍壁僅用于分隔內部艙室，不承受水壓，不參與船體的強度，但具有一定的剛度要求。故只對應用的槽型艙壁剖面模數、慣性矩與原設計帶筋平面圍壁進行比較，艙壁具體外形如圖2 所示。由于平面圍壁帶板寬度取肋骨間距500mm，槽型艙壁槽間距為300m，所以取1500mm 一段圍壁進行校核，具體的其他參數不再贅述。最小剖面模數的計算公式如下：

圖2 槽型艙壁及平面圍壁外形

式中：W 為剖面模數，I 為慣性矩，d 為距中和軸的距離。

3.1 計算方法

使用CAD2015 軟件，繪制艙壁外形，使用多段線命令繪制封閉曲線，使用REGION 命令生成面域，再使用MASSPROP 命令獲取質心坐標，再使用PO 命令定位，將坐標原點移至質心位置；再次使用MASSPROP 命令獲取質心、慣性矩等數據。量取最遠端距中和軸（與形心軸重合）距離，再根據公式計算最小剖面模數。

3.2 結果分析

通過對比圖2 和圖3 中的慣性矩I，可知槽型艙壁的慣性矩大于帶筋圍壁，滿足剛性要求；再根據圖中數據采用公式（1）計算最小剖面模數W（結果見表2），可知槽型最小剖面模數大于帶筋圍壁，強度也可以滿足要求。但對比圖3 和圖4 中慣性矩的數據可知，平行于圍壁方向的槽型艙壁慣性矩偏小，因此在對艙壁有強度要求的情況下，槽型艙壁應盡量布置于肋位方向，在縱向可以使槽型水平布置或者做相應加強處理。

表2 兩種圍壁剖面模數

圖3 槽形艙壁慣性矩計算

圖4 平面圍壁慣性矩計算

4 節點設計

槽型艙壁由于其特有的形狀，與甲板、艙壁等其他構架進行連接時應考慮連接的節點型式，以滿足結構設計要求，避免在實際施工后出現問題。

4.1 圍檻及封板設計

如圖5 所示，出于強度和抗腐蝕等方面的要求，槽型艙壁不能與甲板直接進行裝焊，需要在槽形艙壁上下端設置鋼制圍檻板，高度范圍在200～300mm，由于特殊要求高度超過肋距時，應增加扶強材，以保證艙壁強度。此外，圍檻還可以滿足輕圍壁上風管、電氣、管裝等專業開孔需要，穿艙情況見圖6。為保證槽型與圍檻對接，鋼制圍檻板與槽型板之間應設置偏裝面板，面板端頭修割光順，修割型式如圖7 所示。當槽型艙壁上端存在平直T 型材時，可以代替鋼制圍檻，但面板應加寬以適應槽形壁寬度；若T 型帶有弧度，則仍需設置圍檻過渡；當縱桁、縱骨或橫梁穿過，需要增加切口和水密補板保證密性。

圖5 槽型艙壁

圖6 槽型艙壁穿艙三維圖

圖7 面板修割型式

4.2 對接節點設計

當槽型艙壁與平面圍壁平對接時，需保證槽型在水平段對接，上下端圍檻面板按圖7 中要求修割，在平面圍壁上距對接縫100mm 處設置扶強材；槽型艙壁之間平對接，除保證槽型水平段對接應盡量保證槽型間距，鋼圍檻面板平對接，終止端按圖7 修割光順。

槽型艙壁需要角對接情況下，一般可以設置支柱、1/4 轉圓板來過渡角接型式，圍壁、圍檻和面板按上述要求作端部處理。若槽型艙壁需要直接與平面圍壁角對接，應采取槽型艙壁撞平面圍壁，槽型艙壁端部應為槽型板平直段，平面圍壁端部伸出，面板按圖7 所示修割；若平面圍壁必須終止于槽型艙壁，則應終止于平直段，且應參照偏裝T 型材貫穿節點作相應處理；當槽型艙壁之間角對接時，保證上下端圍檻高度一致，終止于槽型艙壁平直段。

5 布置及優化

槽型艙壁的設置應充分考慮到艙室劃分、設備安裝布置以及密性影響等；其次，出于實用性和美觀性的需求，應考慮槽形艙壁自身長度、槽型朝向以及甲板線型的影響。

5.1 設備布置影響

由于部分設備對安裝基面的要求較高，且對于穿艙管件、電纜開孔，槽型艙壁因自身形狀不易密封，因此在布置槽型艙壁時，應盡量用于設備較少、密性要求不高的艙室；其次，選用槽型艙壁替代平面圍壁時，槽型艙壁長度應至少大于1 張整板，但長度過長時應在槽形艙壁之間設置支柱加強；若所在艙室為潮濕艙室，鋼制圍檻應根據規范相應加厚和提高，若超出上節中要求，則作相應加強。

5.2 線型影響

船體甲板因線型原因，可能帶有昂勢和拋勢，導致同一艙室船長和船寬方向角接的槽型艙壁高度不一致，此時應調節鋼圍檻高度，保證槽型板上下端高度一致，保證艙室圍壁整齊美觀。其次，槽型艙壁的槽形方向應背離通道，朝向艙室內部，保證通道的寬度和美觀度。

6 結論

從以上論述中，可以看出槽型艙壁也存在一些不足，例如設備較多的工作艙室不宜采用槽型艙壁，而且風管、電纜和管子穿艙情況下可能會對槽型艙壁密性造成影響。但在本型船輕圍壁設計過程中，經過優化設計克服了以上不利影響，采用槽形艙壁代替普通平面圍壁，在減少焊接工作量、控制變形等方面取得了較好效果；且由于使用槽型艙壁減輕了船體的結構重量，為船舶后續設計和升級提供了良好基礎。基于以上這些優點，槽型艙壁在船體輕圍壁設計中的應用將具有較好的發展前景。