某大型客滾船鋁上層建筑帶筋板結構設計應用

梁家日 莊濤 趙勇

摘? ? 要：目前鋁合金材料主要應用于小型客船、游輪及高速船上，而大型船體結構極少采用。隨著船舶能耗指數、減排及海上人員生命安全需求升級，《國際海上人命安全公約》對大型客船/客滾船穩性提出更高要求，船舶特別是大型客船上層建筑輕量化設計具有更加重要的意義。由此可推斷，大型船舶上建結構采用鋁合金帶筋板材料將有良好的發展前景。研究大型客滾船鋁上層建筑帶筋板結構設計方案的安全性及經濟性，將有利于形成造船業鋁合金帶筋板結構通用化、產業化。本文簡要介紹某大型客滾船上層建筑采用鋁質帶筋板結構案例。

關鍵詞：帶筋板；攪拌摩擦焊；上層建筑；結構設計

中圖分類號：U318.2? ??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

Superstructure Design of Aluminum Sheet with Ribs for

Large Ro/Ro Passenger Ship

LIANG Jiari1，? ZHUANG Tao2，? ZHAO Yong3

（ 1.China Merchants Heavy Industry （Shenzhen） Co.， Ltd.， Shenzhen 518054;? 2.China Merchants Jinling Shipyard （Weihai） Co.， Ltd.， Weihai 264200;

3.China Merchants Cruise Research Institute （Shanghai） Co.， Ltd.，? Shanghai 200135 ）

Abstract： The aluminum alloy materials are now mainly applied to small passenger ships， cruise ships and high-speed ships， and rarely used on large hull structures. With the upgrading requirements for shipping energy consumption index， emission reduction and safety of personnel life at sea， the International Convention for the Safety of Life at Sea proposes higher requirements on the stability of large passenger vessels and Ro/Ro passenger ships. Therefore， it is more important for the lightweight design of the superstructure of large passenger ships. In this context， it is expected to become a trend for the superstructure of large ships to use aluminum alloy with reinforced steel plates， a new green material. The study on the safety and economy of the design scheme of aluminum sheet with ribs in the superstructure of large passenger and Ro/Ro passenger vessels will be conducive to the formation of the construction industrialization of aluminum alloy sheet with ribs in the shipbuilding industry. This paper outlines the aluminum sheet with ribs in the superstructure of large Ro/Ro passenger vessels.

Key words： sheet with ribs;? friction stir welding;? superstructure;? structural design

1? ? ?前言

新版《國際海上人命安全公約》對大型客船（含客滾船）的初穩性GM值要求提高，為此，大型客船上層建筑進行輕量化具有更為重要的意義。鋁合金具有良好的化學和物理特性。其強度高，重量輕，是一種可回收循環使用的金屬材料，船舶采用鋁合金材料，可減少其排水量，從而提高船舶航速、減少能耗、提高船舶能效指數（EEDI），即可減少碳排放，促進造船行業綠色發展。因此，鋁合金可稱為船舶綠色金屬。

基于鋁合金的特性，通過加熱鋁合金鑄錠[1]在特制模具中擠壓成形，通過擠壓工藝可得到任何形狀的型材產品。擠壓制成含有型材的鋁板稱為帶筋板標準件，在自動化車間可通過攪拌磨擦焊拼板，形成滿足要求的各種尺寸帶筋板。

鋁合金帶筋板是一種新型造船材料，它自重輕、結構尺寸精度高、美觀、殘余應力小[2]。如船舶結構大量采用，可以大大減少焊縫焊接工作量，提高產品質量和建造效率，有效降低船舶上層建筑建造綜合成本，是一種可替代鋼質上層建筑的理想新材料。

本文將簡要介紹批量建造的某大型客滾船部分上建采應用帶筋板型式的鋁合金結構方案。

2? ? 船舶概況

W0279大型客滾船總長203 m、型寬27.8 m、設計吃水6.6 m、服務航速23節、車線長度3047.5 m，可用于裝載轎車、載重汽車等各類車輛。并可承載1000名乘客，配置146間客艙和486套豪華躺椅，設有酒吧、休息室、商店、兒童樂園、寵物間、陽光甲板等公共娛樂場所，符合最新無障礙標準。

3? ? ?設計及應用

3.1? ?材料選用

本船上層建筑肋距840 mm，縱骨間距620 mm，鋁合金下方的板厚6 mm，橫縱壁板、甲板扶強材均為HP100x6。為了與鋁合金結構下方的骨材對齊及減少設計工作量，選用球扁鋼作為帶筋板的筋。載荷經過結構強度規范計算[3]，確定選用甲板用帶筋板，規格為寬度310 mm，板厚5 mm，筋骨材HP80x5（見圖1）。

3.2? ?帶筋板布置方案

橫縱圍壁板扶強材均采用豎向布置（見圖2）。這種傳統的骨材布置方向，保證了骨材按肋位及縱骨間距對應其下方結構，將各橫縱壁當作建筑混合結構的承重墻，有利于應力的傳遞。但其經濟性較差，應用優勢不明顯，為此將橫、縱圍壁扶強材設計成水平布置（見圖3）。主要通過適當增加強豎桁及調整筋的間隔密度，來保證上層建筑結構的強度及穩定性，將各橫縱壁比作建筑框架結構的非承重壁，強豎桁主要作為承重柱，支承并傳遞上層甲板的載荷及滿足壓桿穩定要求。橫、縱圍壁板統一結構型式，形成通用型。

3.3? ?帶筋板應用方案

因主船體是鋼質結構，受制于鋁-鋁焊接和鋼-鋁過渡接頭的強度限制。目前鋁合金圍壁和甲板用于次要結構和應力水平較低的部分，船舶上層建筑符合這一結構范圍，適合使用鋁合金帶筋板結構，帶筋板攪拌摩擦焊焊縫接頭抗拉強度需滿足母材抗拉強度60%以上，鋼-鋁接頭最低剪切強度不小于60 MPa。在鋁合金上層建筑結構性能方面，采用非線性有限元分析，針對實船結構，開展鋁合金上層建筑強度評估，分析鋁合金上層建筑與主船體之間相互作用的應力分布，并對鋁合金上層建筑結構進行應力校核；通過用結構試驗與有限元分析相結合的方法計算鋼-鋁不同材料上層建筑的應力集中系數，針對上層建筑端部應力集中的特點，對應力集中區域進行結構優化；采用非線性有限元法，開展鋁合金帶筋板結構穩定性分析，結合鋁合金帶筋板常用結構形式，分析影響鋁合金帶筋板結構穩定性的多種因素；基于非線性有限元法，開展對鋁合金上層建筑的屈服和屈曲強度的校核，分析得到結構設計過程中需重點校核的危險區域[3]。通過采取上述措施，確保鋁合金材料在正常使用的過程中不會破壞。按DNV規范要求計算及有限元分析，設計出如下四款帶筋板：

1）SWR01板厚5 mm，HP80x5，骨材間距400 mm；

2）SWR02板厚6 mm，HP80x5，骨材間距400 mm；

3）SWR03板厚7 mm，HP120x7，骨材間距400 mm；

4）SWR04板厚5 mm，HP80x5，骨材間距310 mm。

該船應用情況：SWR01帶筋板多用于上層建筑內縱壁、內橫艙壁及后外橫壁、外內側縱壁（電梯圍井側壁）；SWR02帶筋板多用于上層建筑后外橫壁、內稍強縱壁和橫壁、外縱壁；SWR03帶筋板用于前外橫壁；SWR04帶筋板用于甲板。

3.4? ?材料利用率

使用鋁合金結構需重點考慮其經濟成本指標。如要實現整個鋁合金上層建筑使用帶筋板，船廠分段建造過程中將大量減少焊縫焊接工作量，同時提高產品質量和建造效率，能有效降低上層建筑建造的綜合成本。本船首次在大型客船上使用鋁合金帶筋板結構，應用范圍沒有做到100%，有些結構仍采用傳統的普通鋁板焊型材結構，完工后，經過對比，使用鋁合金帶筋板經濟成本明顯優于普通鋁板焊型材的結構。經過統計，首次使用帶筋板的利用率91%。如果通過提前統籌綜合設計、生產設計建模完整性出圖、生產工藝節點優化等措施，鋁合金帶筋板的利用率應能達到95%以上。可采取如下兩種措施以提高帶筋板利用率：

1）門窗蓋及大開口，不采用在壁板或甲板上開孔的傳統方法，而是用帶筋板直接圍孔[4]。此方法需提前在帶筋板訂貨前固化門窗蓋開口及大開口，不能在訂貨后修改門窗蓋開口及大開口的尺寸及位置；

2）由于甲板或壁板上要設置T型材或壁板，需切割此檔位球扁鋁，再焊接結構（T型材或壁板），需優化此處的板縫節點。

4? ? 鋁合金結構防火設計

鋁合金結構設計時還需重點考慮滿足防火A級分隔要求。國際海事組織（International Maritime Organization，IMO）海安委MSC 307（88） （2010 FTPC Code）規定：鋁合金結構強度需要等效或高于標準試樣強度，如無法證明，需要對新結構進行耐火試驗，并提供試燒報告，符合后才能為試驗的防火絕緣材料提供證書。設計的艙壁與甲板結構要符合A 級分隔5項衡準的要求，因此需要提前與防火絕緣材料廠商及船級社溝通。本項目上層建筑結構設計完成后送船級社審查，船級社認為，鋁合金結構防火A 級分隔不滿足要求，需要試燒或增大加強筋規格。經協調溝通，船級社最終確認優化后的鋁合金結構，要求選用有試燒報告，取得其船級社認可證書的巖棉包敷，等效的結構不需要進行結構A級耐火試驗。此船需在北歐寒區航線，鋁合金結構設計還需注意在寒區作業時進行伴熱防凍設計，并考慮熱脹冷縮變形因素[5]。

5? ? 需要解決的問題

基于鋁合金材料特性，應用鋁合金帶筋板結構存在結構強度不足的挑戰，特別是上層建筑參與船舶總縱強度方面，主要有以下方面：

1）鋼結構與鋁合金結構的許用應力、拉伸應力以及材料延展性差異較大，共同參與總縱變形導致材料不協調；

2）對于上層建筑連續甲板及內部主豎區艙壁存在疲勞熱點區域，由于鋁合金的沖擊韌性較差，很難滿足疲勞的要求；

3）鋼鋁接頭能夠承受的剪切應力很小，約60～80 MPa。在最上層連續甲板處，剪切應力較大，通常超過100 MPa，甚至接近200 MPa，圖4為本船鋼鋁接頭剪切應力分布示意圖，顯示Deck 9處鋼鋁接頭無法滿足剪切許用應力要求；

4）焊接后鋁合金結構的許用應力降低明顯[6]，在參與總縱強度的情況下，很難滿足許用應力的要求。

綜上所述，在上層建筑區域全部采用連續的全鋁結構存在較大難度。如在上層建筑區域必須采用連續的鋁合金結構，則宜考慮避免鋁合金結構參與總縱強度的設計。如將連續結構間斷而采用滑移接頭形式，則需考慮該處的結構連接問題，并考慮風雨密、防火等相關要求。

6? ? ?結束語

該型客滾船最上層建筑使用鋁合金具有深遠意義。其為首次在大型客滾船上大量使用鋁合金帶筋板結構，具有應用示范作用，創新性較強。目前也已有多項相關科研課題正在推進中。望本文能起到拋磚引玉的作用，為大型船舶上建采用鋁合金帶筋板結構技術助力。

參考文獻

[1] 竇志家，董穎，劉施洋等.船用5083鋁合金帶筋板擠壓及攪拌摩擦焊?工藝研究[J].有色金屬加工， 2019， 48 （03）.

[2] 王承權，戴海波，杜述勇.鋁合金船體結構應用帶筋板的幾個問題[J].船海工程， 2003 （04）.

[3] 陳南華，鄧建通，錢雯等.42.5 m鋁合金高速船結構設計[J].船海工程， 2021， 50 （05）.

[4] 胡焱.一種超寬薄壁帶筋板船用型材的研究和開發[J].鋁加工， 2022 （03）.

[5] 孫瑞，余齊威，梅冠軍等.寒區作業船舶的自動伴熱防凍系統設計[J].船海工程， 2018， 47 （05）.

[6] 陳軍，李華平，肖圣亮等.某船3 mm鋁合金甲板焊接變形控制工藝[J].廣東造船， 2023， 42 （04）.

作者簡介：梁家日（1979- ），男，工程師。主要從事船舶與海洋工程設計工作。

莊? 濤（1982- ），男，工程師。主要從事船舶電氣設計工作。

收稿日期：2023-08-15