金屬夾層結構的艦船應用研究綜述

陳楊科，何書韜，劉均，操戈，王虎，羅剛，徐峰

1 海軍裝備部駐武漢地區軍事代表局，湖北武漢 430064

2 中國艦船研究設計中心，湖北武漢 430064

3 華中科技大學船舶與海洋工程學院，湖北武漢 430074

0 引 言

水面艦船的船體結構重量占用了艦船總體非常大的重量和空間資源，而根據艦船作戰使命任務和使用要求，對其搭載更多武備及其他戰略物資的需求越來越強烈。另一方面，隨著反艦武器的不斷發展，其對水面艦船的威脅和破壞力越來越大，由此，對水面艦船防護結構的防護性能也提出了更高的要求。除此之外，未來的水面艦船在高穩定性的大跨度箱體結構設計方面也具有強烈的需求。尤其是對未來航母來說，隨著其艦載機搭載數量的增加，機庫尺寸也將大幅增加；同時，如果采用核動力裝置，則其核動力艙對空間的需求也將比常規航母動力艙的大，并且對船體結構也將有更高的局部載荷要求。對于上述問題，通過傳統結構設計或優化結構設計來解決已顯得力不從心。因此，如何選用新的結構型式、新的結構材料，以使整個船體結構在保持應有性能的同時大幅降低重量，并盡量提高防護結構的防護性能，是未來水面艦船結構設計技術需迫切解決的問題之一，對艦船總體設計而言具有非常重要的現實意義。

金屬夾層結構是一類由金屬上、下面板以及諸如波紋型、蜂窩型、桁架型等金屬夾芯，通過激光焊接技術連接成一個整體的夾層結構。與傳統的加筋板結構相比，其具有高比剛度和高比強度的特點，在疲勞、耐撞擊、抗爆炸沖擊、減振降噪以及防火、隔熱等方面也具有優良的性能。因此，針對金屬夾層結構，歐美等國已經在其性能、設計、制造等方面開展了大量研究工作，且部分研究成果已在航空、航天等領域得到廣泛應用。國內在這方面的研究工作目前還未形成體系，在理論計算、試驗研究和工程應用上都還存在一定的差距。金屬夾層結構作為一種未來工程應用的新型結構，在艦船領域有著廣闊的應用前景，國內迫切需要系統地開展相關研究論證工作。本文的主要目的是對金屬夾層結構在艦船上的應用研究現狀進行綜述，從而正確把握今后研究工作的重點。

1 金屬夾層結構的基本類型

按照夾芯型式的不同，金屬夾層結構大致可以分為3大類：波紋型、蜂窩型和桁架型。

波紋型夾芯只在某一方向上進行有規律的排列，常見的波紋型夾芯如圖1所示［1］。其中，I型和V型在國外艦船上有著較為廣泛的應用。

圖1 典型波紋型金屬夾層結構示意圖Fig.1 The schema of typical one-directionally stiffened metal sandwich panel

蜂窩型夾芯一般作二維排列，常見的蜂窩型夾芯如圖2所示［2］。蜂窩型夾芯已被廣泛用于航空、航天領域，如美國的“全球鷹”飛機就采用了Kagome蜂窩夾層結構，而美國水面艦船使用的最先進的水密門上采用的則是方形蜂窩夾層結構［3］。

圖2 典型蜂窩夾芯型式Fig.2 The schema of typical honeycomb-core metal sandwich panel

桁架型夾芯則采取三維布置，常見的桁架型夾芯如圖3所示［4］。與波紋型和蜂窩型夾芯相比，這種夾芯結構重量更輕，更加節約原材料。

圖3 典型桁架型金屬夾層結構示意圖Fig.3 The schema of typical trussed-core metal sandwich panel

2 金屬夾層結構在艦船上的應用

基于其優良的綜合性能，金屬夾層結構被廣泛用于航空、航天等領域，而在艦船上的應用則始于最近二、三十年。這種新型結構多被應用于軍事裝備，故相關資料的收集比較困難，只能從少量的文獻以及網絡資料中得窺一斑。

從20世紀80年代開始，美國海軍和工業部門就一直在研究和試驗新穎的輕型艦船結構，其目的是尋找一種新的結構以代替目前艦船上常規使用的加筋板結構。美國海軍制造維修技術研究所（iMAST）和海軍水面作戰中心Carderock分部（NSWCCD）以及美國賓夕法尼亞大學等的研究人員，從1987年就在進行金屬夾層結構應用于艦艇的研究，開發出了一種可替代傳統加筋板的輕型結構，稱為LASCOR（laser beam welded lightweight corrugated core sandwich panel），即激光焊接輕質波紋夾芯板（圖4）。LASCOR在設計上提供了很大的靈活性，因為芯材幾何尺寸和材料厚度等均可按需配置。它可以采用許多可焊金屬，如不銹鋼、高強度鋼、鋁和鈦等材料進行制造。其對LASCOR用于艦船的相關性能進行了研究，包括小比例模型試驗，防火、噪聲及腐蝕試驗，抗彎強度、耐壓強度、剪切強度和疲勞強度試驗，以及實船應用試驗等。

圖4 LASCOR板Fig.4 The LASCOR panel

1994年，美國海軍首次在軍艦LCC-20號的2個天線平臺（圖5）上應用了LASCOR，面積達195 m2，和傳統加筋板結構相比減輕了9 t的重量，大幅改善了艦船的機動性和穩定性［5］。自此以后，美國海軍又先后成功地將LASCOR應用到了DD-981，CV-41，LCC-19以及 DDG-51等各型軍艦的船體結構上。但由于制造工藝的約束，LASCOR在這些艦船上的應用部位比較有限，主要為居住區的隔板和甲板、艙壁、甲板邊緣升降機門和機庫門［6］。最近，由于CVN-21的設計自重和重心位置預測值均超過了所規定的目標值，為提高艦船穩性，保證其作戰功能的實現，成立了由未來航空母艦項目辦公室（PMS387）領導的LASCOR技術項目組，以評定LASCOR技術的生命力及其在CVN-21關鍵部位上應用的可能性。該項目組的成員有NCEMT，iMAST，海軍連接中心（NJC）和美國海軍海上系統司令部（NAVSEA），以及NSWCCD，NGNNS船廠及應用熱科學研究所［7］。項目組認為，如果要將LASCOR用于關鍵部位，就必須研究新的制造方法。目前，對于在關鍵部位采用LASCOR板列所需的設計要求和制造經驗仍然很缺乏，此外，LASCOR板與常規船舶結構的連接方法、解決LASCOR板性能方向性問題的方法以及LASCOR板維修技術等方面的問題還未解決。該項目組已在開展LASCOR耐久性以及LASCOR技術在船廠應用的演示試驗研究工作，正在解決接頭連接、螺栓應用及可維修性等問題，并在開展應用開發和演示工作。如果確認了LASCOR技術是一種可行的解決方案，則可使航空母艦的自重減輕15%～40%。例如，如果將LASCOR技術用于航空母艦的甲板構件，則與常規加筋板相比，可在滿足或超過原有載荷要求的情況下，減輕20%的自重。相關的技術轉化始于2007年，目前，已針對DDG-1000驅逐艦購買了用于頂邊護道的雙重金屬夾芯板和人身安全屏障面板（圖6），每艘艦艇配備84套面板。此外，如圖7所示，在新型的瀕海戰斗艦上也已采用了相關的研究成果［8］。

圖5 LASCOR板在LCC-20的天線平臺上的應用［5］Fig.5 The application of LASCOR panels on the aerial platform of LCC-20［5］

圖6 LASCOR板在DDG-1000上的應用Fig.6 The application of LASCOR panels in DDG-1000

圖7 LASCOR板在新型瀕海戰斗艦上的應用Fig.7 The application of LASCOR panels in the new-style littoral combat ship

緊隨美國之后，歐洲的一些國家也開展了金屬夾層結構在艦船上應用的相關研究。在研究對象上，與美國不同的是，歐洲主要關注于一種I型金屬夾層結構，其中具代表性的是英國、芬蘭和德國。英國曼徹斯特大學土木工程學院研究了采用點焊連接的艦用金屬夾層結構。芬蘭的赫爾辛基技術大學的船舶實驗室在1988年就曾開展過將金屬夾層結構應用于破冰船的研究，隨后在一系列的科研項目中又先后進行了艦用金屬夾層結構的制造、設計和優化等相關研究。德國的Meyer Wertft船廠在1994年即開始嘗試使用激光樁焊（Staking Welding）的工藝方法，生產制造用扁鋼作腹板的夾芯板，同時還對激光焊接金屬夾層結構的性能及其制造性進行了理論和試驗研究。其研究和實踐表明，這種以激光焊接為基礎的制造技術，能夠顯著提高生產率并降低能耗。

在看到金屬夾層結構廣泛的應用前景后，自2000年開始，由德國、芬蘭、英國、荷蘭、意大利、波蘭、瑞典和挪威等8個國家的12個成員單位組成的聯合項目組開展了大型歐洲研究項目SANDWICH。該項目利用參加單位的技術特長，分工協作，將激光焊接、鋼結構與低密度泡沫芯層板技術相結合，提供艦船主要承載結構和陸地運輸車輛使用的獨特鋼—復合材料輕質夾層板（圖8）。研究表明，應用I型夾層結構可以使船體結構的總質量下降20%～50%，制造成本降低約20%～50%［9］。

圖8 I型金屬夾層結構應用示意圖Fig.8 The application of I-core metal sandwich panels in shipbuilding

針對艦船的金屬夾層結構設計，歐美等國已編制了相關的指導性文件。文獻［10］針對鋁制I型和波紋型夾層板的設計給出了相應的規范，其中包括鋁制夾層板剖面模數、慣性矩、芯層剪切強度以及板厚計算方法等。文獻［11］則從夾層結構的概念、設計、制造、連接以及裝配等方面，對其進行了全面論述，具體包括夾層結構的分類、性能、工程應用的利弊以及夾層結構彈性響應、極限承載、屈曲等靜力分析，同時，還對夾層結構的沖擊響應、疲勞、振動分析以及相應的制造工藝進行了闡述。

3 金屬夾層結構抗爆抗沖擊性能分析的研究概況

要使金屬夾層結構能安全、有效地應用于艦船，需根據艦船的使用環境對其進行必要的力學性能分析。就目前查閱的相關文獻資料來看，普遍關注的性能包括：結構的彎扭強度、剪切、屈曲、沖擊和爆炸、應力集中和疲勞、振動和聲傳播等，此外，針對焊縫強度也有不少研究。考慮到水面艦船的特殊需求，主要關注了有關金屬夾層結構抗爆抗沖擊性能的相關文獻。

對水面艦船而言，船體結構的防護性能是評定其作戰能力和生命力的重要指標。通過傳統的結構設計或優化結構設計已不能顯著提高結構的防護性能，將力學性能優良的新型抗沖擊結構引入實際艦船結構中，是目前艦船研究的熱點及重點之一。王自力和張延昌等［12-16］在這方面開展了大量研究工作。2007年以來，他們采用動態非線性仿真軟件MSC.Dytran對各種夾芯型式夾層板的耐碰撞性能及抗爆炸沖擊性能進行了計算，并發表了相關研究成果。他們將六邊形蜂窩式及折板式夾層板應用于單殼船體結構的耐撞性設計，并研究了相關結構參數尺寸對耐碰撞性能的影響，數值仿真結果表明，夾層結構在碰撞載荷作用下具有良好的吸能性能，可以作為高效的吸能單元用于耐撞結構，夾層板舷側結構可顯著提高舷側結構的抗撞能力。同時他們還指出，對于六邊形蜂窩式夾層板，芯層密度是影響結構耐撞性能的關鍵因素，而夾芯層高度對結構的耐撞性影響不大，隨著夾芯層高度的增加，結構吸能增加。另一方面，他們還以某型船為研究對象，將四邊形蜂窩式、折板式以及Y型夾層板結構應用于艦船底部及舷側的防護結構設計，對比分析了夾層板在沖擊波載荷作用下的防護性能，仿真分析不同沖擊因子下結構變形、速度、加速度和吸能等重要力學性能。其研究表明：夾層板是一種優良的防護結構，吸能效率較高，還可減小沖擊波壓力及沖量的吸收與傳遞，對減小艦船其它部位結構的損傷防護能起到重要作用，夾芯層對夾層板在水下沖擊波作用的結構防護中起關鍵作用［17-20］。此外，他們還初步提出了抵抗水下沖擊波載荷的綜合防護指標，并將正交試驗設計應用到了夾層板的優化問題中［21］。

程遠勝和劉均等［22-23］針對方形蜂窩夾層結構，基于能量守恒和剛塑性材料模型，對其在沖擊載荷作用下的塑性動力響應進行了理論分析。他們推導出了四邊固支的方形蜂窩夾層板在沖擊載荷作用下最終殘余變形的近似計算公式，并與利用有限元軟件ANSYS/LS-DYNA仿真的分析結果進行了系統、全面的比較。其研究結果表明，該計算公式具有一定的合理性，雖然在結構大變形時誤差較明顯，但由于其簡單、直接、計算量小，對方形蜂窩結構設計和優化還是具有較好的參考價值。隨后，他們從提高抗沖擊性能角度出發，提出了一種新型矩形蜂窩耐壓復合加筋圓柱殼結構形式，并對其抗沖擊特性進行了分析［24］。另外，鄧磊和王安穩［25］利用有限元軟件ABAQUS也開展了類似的研究。針對六棱柱蜂窩夾層結構，于輝和姚熊亮等［26］也提出其抗沖擊性能要優于普通船體板架。趙桂平和盧天健［27］的研究表明，波紋型夾層結構在沖擊載荷作用下的能量吸收能力要優于方形蜂窩夾層結構和泡沫鋁合金夾層結構。

總的說來，由于其特有的結構形式，夾層板能承受比實體板更強的沖擊，具有優越的吸能效果；由于夾芯層的屈曲變形及能量吸收，夾層板較實體板更能起到保護主結構、降低結構整體變形的作用，將其應用于防護結構，有很好的應用前景。但是對于美國大量應用于水面艦艇的波紋夾芯板，國內的相關研究則顯得較少。

4 目前存在的技術難點

對艦船而言，金屬夾層結構作為一種新型結構其優點顯而易見，但要實現其在艦船上的應用，還存在許多技術難點，其中較重要的是，要解決金屬夾層結構的大規模生產制造問題和其與常規船體結構的連接問題。

4.1 制造問題

金屬夾層結構在艦船上的應用是和激光焊接技術相關聯產生的，因為制造的可行性和優越性是結構新形式產生和存在的重要基礎。激光焊接是利用高能量的激光束作為熱源的一種高效精密焊接方法，具有穿透性好、熔深大的特點。激光焊接時，激光束穿過面板，熔化緊貼于面板下方的腹板，從而完成兩部分的連接，這種方法非常適合金屬夾層結構。

用激光焊接這類結構并不是生產中的主要困難，金屬夾層結構生產中最困難的是芯材制造和激光焊接時被焊構件精確定位的問題。其原因是聚集激光光束的焦斑非常小，所產生的焊縫非常窄。在焊接中，通常可接受的焊接間隙大約為材料厚度的10%。為了制造優質的金屬夾層結構，首先應保證芯材尺寸的精確，其次應保證焊接時芯材與面板之間良好的接觸。通過機加工和良好的裝夾固定設備，小部件的對接精度是能夠達到的，但用在船身焊接和連接上則可能是難以實現并確保焊接質量的，因為焊接部件長度經常達幾十米。因此，良好的夾具設計及與之配合的激光焊接工藝是金屬夾層結構大規模生產制造的難點所在。圖9所示為美國承擔海軍艦艇制造的弗克特里船廠在進行LASCOR生產制造時的夾具設計示意圖，其兩端的剛性夾具將減小結構在焊接時的變形，當完成一面焊接時，可通過夾具的翻轉實現另外一面的自動焊接［6］。2001年，德國瑪雅船廠率先將激光電弧復合焊技術用到了船用金屬夾層大結構之間的對接焊接中（圖10）［28］。由于激光電弧復合焊具有較強的橋聯能力，降低了對接頭準備的要求，由此降低了生產成本。另外，激光電弧復合焊技術的使用也提高了焊接接頭的性能，保證了焊縫質量。目前，國內各大船廠尚無可實現金屬夾層結構大型生產所需的配套夾具以及相應的自動化裝置。

圖9 激光焊接夾具設計示意圖［6］Fig.9 The schema of fixture device for laser welding［6］

圖10 瑪雅船廠采用激光進行對接焊接［28］Fig.10 The laser welding process in Meyer Wertft［28］

4.2 連接問題

由于船臺組裝工作受激光焊接設備尺寸和激光焊接加工方法的制約，金屬夾層結構存在著連接的問題。連接形式的選取是金屬夾層結構在船舶制造中應用的關鍵問題之一，不僅對船體結構的組裝工時和船舶制造的生產周期有一定影響，而且也在一定程度上影響了船體結構的力學性能。連接結構不僅需要形式相對簡單，具有可施工性，而且還要滿足強度和剛度的要求。更重要的是，由于船舶的載荷特點，對連接結構而言，其疲勞問題也不容忽視。關于連接問題的相關文獻較少，大部分文獻只涉及到連接形式的概念介紹，只有少數文獻研究了連接形式的分析方法，且未成體系，國內的相關研究則更少。

Kujala等［1］認為連接形式是目前金屬夾層結構在船舶制造中大規模應用的瓶頸技術之一。他們給出了金屬夾層結構與傳統船體結構之間，以及金屬夾層結構之間的幾種典型連接結構的形式和設計要點，如圖11所示。同時，他們還提出了連接結構疲勞性能分析方法，包括焊接局部細節的建模方法和焊接局部應力集中系數的計算方法。Anand等［29］對I型金屬夾層結構與常規船體結構的連接結構進行了疲勞性能的試驗測試，分析了連接結構的裂紋滋生模式，提出了研究其疲勞性能的方法和步驟，并基于實驗結果數據，提供了多組設計曲線。Pyszko［30］建立了一種典型連接結構的參數化有限元模型，考慮到材料的應變剛化，分析了其在拉彎組合載荷作用下，極限承載能力隨主要設計參數的變化規律，并得出最優設計方案。Metschkow［31］則指出對于單向加筋的金屬夾層結構，垂直于加筋方向的連接比平行于加筋方向的連接更重要，因為垂直連接時，只能通過相對較薄的面板傳遞載荷。國內王虎等［32］研究了I型金屬夾層結構之間平面連接結構在面外載荷作用下的連接強度，為降低有限元計算規模，采用了子模型和殼體連接的分析技術，并研究了設計參數對連接性能的影響，提出了優化設計方案。

圖11 幾種典型的連接結構形式［1］Fig.11 Several typical kinds of connection between metal sandwich panels［1］

5 結 語

盡管國內的學者和工程師們在金屬夾層結構的研究上取得了一定成果，但在水面艦船的應用方面，依然存在著許多充滿挑戰的研究課題，認為以下幾個方面的問題應當引起重視：

1）應立足于艦船船體結構的力學特點，系統地開展金屬夾層結構的相關基礎研究，包括適用于艦船設計的金屬夾層結構的基本類型、相應的理論及數值仿真。

2）金屬夾層結構的制造問題是其大規模實船應用的關鍵問題，應由艦船設計部門和材料制造部門共同開展相關制造工藝的研究。

3）亟需盡快、系統地開展關于波紋夾芯板的相關研究。從美國在波紋夾芯板上開展的大量研究以及其在多型水面艦船上的成功應用來看，這種結構在水面艦船上有著很好的應用前景，然而國內對于這型夾層結構的研究卻較為稀少，且不成體系。

4）在相關基礎研究的基礎上，應由艦船總體設計部門和高校開展針對艦船應用的設計技術研究，形成設計準則，指導船體結構設計。

5）作為一種新型結構，若要實現金屬夾層結構在艦船上的應用，必須開展大量的試驗研究，掌握試驗數據，降低設計風險。

由此可見，在此領域內，無論是在理論模型、數值方法、實驗研究、設計技術，還是在制造工藝等各方面，都還有許多問題有待解決和進一步的研究。

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