長橋樓上層建筑結構設計分析

2014-11-12 08:05:04李源源孫巍

中國艦船研究 2014年3期

李源源，孫巍

1 中國艦船研究設計中心，上海 201108

2 海軍駐滬東中華造船（集團）有限公司軍事代表室，上海 200129

0 引言

現代艦船由于需要滿足提高隱身性能、加大裝載能力以及改善適居性等需求而設計建造了大尺度隱身封閉型上層建筑（其寬度能跨兩舷），從而導致橋樓結構過于龐大。目前，長橋樓上層建筑的縱向長度遠遠超過0.15倍船長和本身高度的6倍（一般在0.5倍船長以上），甚至其第2層上層建筑也超過0.15倍船長和本身高度的6倍，并參與了船體總縱彎曲。2種典型長橋樓上層建筑型式外形如圖1和圖2所示［1-2］。

圖1 典型長橋樓上層建筑型式ⅠFig.1 Typical long bridge superstructure formⅠ

圖2 典型長橋樓上層建筑型式ⅡFig.2 Typical long bridge superstructure formⅡ

由上可見，長橋樓上層建筑將主甲板變成了內部甲板，而橋樓側壁板與船體外板連為一體，并通過連續結構傳遞應力，同時,長橋樓的封閉結構也參與了船體總縱彎曲，這樣就導致傳統意義上的船體梁上翼板定義變得模糊。此時，長橋樓上層建筑與主船體緊密結合，成為一個整體結構同步彎曲，這樣的情況給艦船上層建筑結構設計帶來了極大挑戰，即要在保證船體結構強度和剛度的前提下，盡可能減輕船體結構重量，并控制上層建筑重量，以實現有效降低結構重心和保證總體各項性能優化。

按照傳統設計思路和規范要求，應將超過一定長度并參與了船體總縱彎曲的幾層上層建筑都設計成強力結構。但是，這樣勢必會造成結構重量增加，艦船重心升高，從而影響總體性能。若將上層建筑進行輕型設計，則可減少上層建筑參與船體總縱彎曲的程度，同時，還可設置伸縮式彈性接頭，以將長橋樓改成幾個短橋樓。但是，此種設計會帶來以下問題：伸縮接頭處結構應力集中情況嚴重，結構破壞容易在伸縮接頭處產生。另外，通用規范規定船樓式上層建筑不得設置伸縮接頭，即使設置伸縮接頭也應以單層設置為宜。因此，當長橋樓上第2層上層建筑也具有一定長度參與船體總縱彎曲時，應有充分依據證實該結構可靠，才可設置2道伸縮接頭［3］。

基于此，本文選用不同材料進行長橋樓上層建筑結構設計，設計中在控制結構重量的同時，還應力求確保船體結構強度和剛度。由于不同材料彈性模量差異大會導致相同尺寸結構上層建筑參與船體總縱彎曲的程度不同，因此，本文主要對比鋼質、鋁合金等不同材料的上層建筑設計，并分析復合材料結構設計的可行性，以為其他材料應用提供參考。

1 鋼質長橋樓結構設計

綜合考慮船體性能、使用要求、總體布置以及現有規范，在長橋樓第1層上層建筑不設置伸縮接頭，并將其設計為強力結構，以作為船體梁的上翼板設計。隨后，將內部主甲板作為下層內部甲板設計，并在上層強力甲板與艏部露天主甲板的間斷交錯部位設置強力結構過渡區域［4］。

將長橋樓第1層上層建筑設計為強力結構可提高船體梁的慣性矩和剖面模數，這對于保證全船結構性能非常有利。但是，主船體受中拱彎矩，其由于彎曲作用會產生一定曲率半徑，此時，主甲板受拉伸長并受到上層建筑下沿的約束，該約束使得連接處分布有水平剪力。同時，上層建筑下沿由于受到主甲板伸長的影響也發生伸長。由此，水平剪力作用使得上層建筑產生剖面歪斜，從而減小了彎曲應力。這種效應使得越是接近上層建筑端部，剖面歪斜就越大，因而由于剪切影響而使縱向應力減小的效果越接近端部就越大。雖然長橋樓側壁底部與主船體有相同的曲率，但是由于水平剪力的作用，縱向應力的垂向分布并不是線性的，不同縱向剖面總縱彎曲應力分布變化如圖3所示［5-6］。

圖3 不同縱向剖面總縱彎曲應力分布變化Fig.3 Overall longitudinal bending stress distribution of different longitudinal profiles

上層建筑參與總縱彎曲強度的程度與其長度、寬度、材料性能等密切相關，由上分析，長橋樓端部的縱向應力下降，但端部的應力集中情況嚴重，有較大的垂向應力，設計時應進行局部加強和過渡處理，以確保將長橋樓第1層上層建筑設計為強力結構。

當長橋樓第2層上層建筑超過一定長度時，其也會參與船體總縱彎曲。因此，為控制上層建筑重量，可將長橋樓第2層上層建筑設計為輕型結構。例如，可在長橋樓第2層上層建筑中設置橫向伸縮接頭，如此，一個長上層建筑就分成2個相對較短的上層建筑。同時，柔化附近側壁結構，以確保將長橋樓第2層上層建筑設計為輕型結構。

要想實現柔化側壁結構，首先應在側壁上開口，然后使用帶縱骨的鋼板進行封補，該鋼板與開口四周側壁板應采用不焊接的方式，類似伸縮接頭設計，呈自由伸狀態。由此，經柔化的側壁與甲板上的彈性接頭一起可以形成一個彈性分割環，該分割環能夠將02甲板參與船體總縱彎曲的路徑切斷，從而長橋樓第2層上層建筑就被隔斷為2個短橋樓。

為驗證該結構設計的可行性，以某水面艦船為研究對象，從底部結構到02甲板建立了該艦船的全船有限元結構模型，同時對船體總縱彎曲應力進行分析，以證實該結構形式是否有效。從全船有限元結構模型的計算結果中抽取出來的02甲板結構總縱彎曲應力分布云圖如圖4所示，圖中顯示長橋樓第2層上層建筑的前部和后部參與船體總縱彎曲的程度小，且在彈性接頭處02甲板縱向應力較低，由此可見，輕型側壁起到了有效的隔離作用。

圖4 02甲板結構總縱彎曲應力分布Fig.4 Overalllongitudinalbendingstressdistributionin 02 level

在進行有限元結構模型計算的同時，還制作了第1層連續、第2層設置伸縮接頭間斷的上層建筑鋼質結構模型，以測試彎曲力矩作用下的結構應力響應狀況。然后，基于鋼質結構模型測試結果對第2層上層建筑的總縱彎曲應力分布進行分析，發現設置伸縮接頭后在接頭內側的剖面處，即側壁下部的垂向拉伸應力出現峰值。同時，02甲板在接頭前后的縱向應力也有大幅下降，這說明接頭處的剖面已成為第2層上層建筑的新“端部”，該伸縮接頭能夠有效減少長橋樓第2層上層建筑參與船體總縱彎曲的程度。

在經過結構有限元計算和模型應力測試，并經實船適航性試驗后，證實了這種第1層連續、第2層設置伸縮接頭間斷的上層建筑結構設計可靠，船體結構性能優良，重量得到了一定減輕，且有助于降低重心，從而較好地適應了現代艦船設計需求。

2 鋁合金長橋樓結構設計

鋁合金設計研究狀態是指主船體采用鋼質結構，而1甲板以上上層建筑（包括長橋樓）均采用鋁合金結構。

以某水面艦船為研究對象，對比3種模型結構性能，并進行設計計算。3種模型的主船體結構均為鋼質，模型1為無上層建筑，模型2為連續的縱骨架式鋁合金長橋樓鋼質主船體，模型3為設有3道伸縮接頭的縱骨架式鋁合金短橋樓鋼質主船體。同時，采用中拱彎矩進行加載，研究鋁合金上層建筑參與船體總縱彎曲時的總縱彎曲應力和變形狀況，從而得到鋁合金結構參與船體總縱彎曲的有效程度，其變形狀況如圖5～圖7所示。

模型1最大彎曲變形149 mm，船舯舷側上緣最大總縱彎曲應力在船舯舷側上緣，應力值σ1max=98.1 MPa。模型2最大彎曲變形104 mm，最大總縱彎曲應力在船舯橋樓側壁下緣鋼質外板處（不計應力集中），應力值σ2max=52.9 MPa，船舯01甲板處最大總縱彎曲應力值σ2s=48.2 MPa。模型3最大彎曲變形132 mm，最大總縱彎曲應力在船舯橋樓側壁下緣鋼質外板處（不計應力集中），應力值 σ3max=69.0 MPa，船舯01甲板處最大總縱彎曲應力值σ3s=20.9 MPa。

然后，將模型船舯的橫剖面總縱彎曲應力分布按高度方向到01甲板進行繪圖，如圖8所示，其中z為橫剖面垂向高度，σ為總縱彎曲應力。模型3的應力分布形式與模型2接近，其上層建筑總縱彎曲應力上升更加平緩。

圖5 無上層建筑的鋼質主船體變形Fig.5 Hull bending displacement for steel main hull without superstructure

圖6 連續鋁合金長橋樓鋼質主船體變形Fig.6 Hull bending displacement for steel main hull with continuous aluminum long bridge

圖7 設置3道伸縮接頭的鋁合金短橋樓鋼質主船體變形Fig.7 Hull bending displacement for steel main hull with discontinuous aluminum bridge which sets three expansion joints

圖8 3種模型橫剖面總縱彎曲應力對比Fig.8 Overall longtudinal bending stress distribution comparison of three models

可見，彈性模量為鋼1/3的鋁合金結構作為上層建筑結構參與船體總縱彎曲的有效程度會大幅下降。

若計算上層建筑有效程度，可通過對比總縱彎曲應力或承受載荷來得到效率，針對本項目研究內容和目的，認為應以總縱彎曲應力對比系數作為研究對象：

式中：σ0為無上層建筑時主甲板內的總縱彎曲應力，MPa；σp為有上層建筑時主甲板內的總縱彎曲應力，MPa；σ100為上層建筑100%有效時，主甲板內的總縱彎曲應力，MPa。

基于上層建筑占主船體長度的百分比變化，并通過有限元計算可求得鋼質上層建筑和鋁合金上層建筑模型參與船體總縱彎曲的有效程度，如表1所示。

表1 不同長度比的鋼質、鋁合金上層建筑參與船體總縱彎曲的有效程度Tab.1 Effectivedegreeofsteelsuperstrutureand aluminum superstructure participating in overall longitudinal bending for different length percents

表1可見，使用鋁合金作為上層建筑材料，可使上層建筑參與船體總縱彎曲的有效程度大大降低。當橋樓長度超過60%船長時，其參與船體總縱彎曲的程度趨于穩定，且隨上層建筑長度變化不明顯。鋼質橋樓趨于100%，鋁合金橋樓趨于60%，可以認為長度超過60%船長的鋼質橋樓完全參與了船體總縱彎曲。由此可見，材料性能對結構參與船體總縱彎曲有效程度的影響很大，鋁合金由于彈性模量低，故非常適合作為長橋樓的結構材料［7］。

除了應用材料，在長橋樓上層建筑設置彈性接頭也可降低其參與船體總縱彎曲的有效程度。但是，彈性接頭處的應力集中現象不容忽視，這是因為應力集中區域在船舶長期服役過程中容易出現裂紋等疲勞破壞，而鋁合金短橋樓在彈性接頭下緣附近的應力集中現象尤其嚴重。鑒于鋁合金材料本身強度低，焊后性能又有大幅下降，且鋁合金結構在滿足強度和剛度使用要求后的本身重量較之鋼質結構有大幅減輕，因此，如無特別需求，一般不建議在鋁合金長橋樓設置彈性接頭（其中包括第2層上層建筑）。

第2層上層建筑一般位于艦船艏部或偏艉部，在前述分析的橫剖面總縱彎曲應力分布縱向變化規律下，可知第2層上層建筑的總縱彎曲應力比第1層上層建筑要小，且其長度較之第1層上層建筑有大幅縮短。所以，如果采用鋁合金材料，可以將其設計為橫骨架式輕型結構，從而有利于重量重心控制。

3 復合材料上層建筑應用分析

復合材料是一種理想的新穎結構和功能材料，相比鋼材和鋁合金，其彈性模量更低，且重量更輕，具有傳統造船的金屬材料所不具有的優良綜合性能：良好的隔熱特性和防火性能，能隔斷火焰蔓延，且無需附加隔離層，將其用于建造煙囪能夠有效阻止熱量散發，從而取得很好的紅外隱身效果；不存在腐蝕現象，抗老化試驗表明，這種材料能夠在100℃溫度下長期使用，也非常適合在海洋環境應用；為無磁性材料，代替鋼材使用可降低艦船磁特征信號，從而提高隱身性。由此可見，使用復合材料建造上層建筑可以大大減輕重量，降低總體重心。并且，其低模量特征使得其參與總縱彎曲的有效程度低，從而有利于上層建筑結構設計。

考慮到復合材料設計目前還不成熟，建議先使用復合材料進行上層建筑局部結構設計。例如，可將復合材料上層建筑設計成橫骨架式，并盡量采用大板格，以減少構架和連接數量。同時，針對復合材料結構存在強度較高但剛度不足的情況，可以采用夾芯材料或三維點陣立體材料來增加板材剛度。典型復合材料上層建筑結構如圖9所示。

圖9 典型復合材料上層建筑結構Fig.9 Typical composite material superstructure

由于復合材料是非金屬不能焊接，且在門窗開孔、設備安裝等部位對復合纖維層有破壞，因此，需采取一定工藝進行局部補強，以不影響船體和設備正常使用，并避免給結構帶來破壞隱患。

此外，復合材料上層建筑結構連接節點還擁有復合材料結構之間的各種連接以及復合材料與鋼質結構的連接，其典型復合材料與鋼質主船體的連接示例如圖10所示，其采用螺接加膠接的方式進行混合連接。

圖10 典型復合材料上層建筑與鋼質主船體連接Fig.10 A typical form for connecting composite material superstructure to steel main hull

4 結論

目前，船廠在建造中能夠保證鋼質結構的焊接性能，并有效控制焊接變形。但是，針對鋁合金結構焊后性能與變形控制等方面還沒有穩妥措施，對于復合材料的連接、補強等工藝更是沒有掌握。由此，綜合考慮生產建造現狀、長橋樓計算分析和實際航行使用情況，總結得到以下結論：

1）跨兩舷的長橋樓上層建筑宜設計為連續結構，并優先采用鋼質強力結構設計，如此，可大大提高船體梁的慣性矩和剖面模數，從而改善艦船的剛度和振動。同時，由于主甲板變成了內部甲板，并對其進行非強力設計，從而整體重量可以得到合理控制。

2）若艦船有特殊重量控制要求，長橋樓上層建筑連續結構可以采用鋁合金結構設計，而主甲板則采用通暢強力結構設計。然而，由于鋁合金相關配套材料和技術尚不成熟，因此，這種設計需要船廠高質量的施工建造能力配合。此外，對鋁合金的焊接和鋼鋁之間連接要求較高，應注意加工工藝措施。

3）長橋樓第2層上層建筑采用鋼質材料并設置伸縮接頭，然后進行輕型化設計，這樣對重量重心的控制有利；當其采用鋁合金或復合材料時，則可設計為橫骨架式結構，且無需設置伸縮接頭。

隨著現代化發展趨勢，上層建筑外形更加簡潔，隱身性能更加優良，同時高度集成一體化。因此，上層建筑結構設計要根據作戰使用需求不斷進行改進，同時運用新型式、新材料和新工藝以實現更優性能。

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