鋼鋁混合雙體沿海客船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

吳猛 黃渙青 石科良 朱繼欣

摘? ? 要：雙體船應(yīng)用較為廣泛，本文重點(diǎn)闡述了雙體客船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的技術(shù)要點(diǎn)，并借助有限元計(jì)算軟件對(duì)某型鋼鋁混合雙體沿海客船總強(qiáng)度進(jìn)行分析，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)其設(shè)計(jì)方案提出建議。

關(guān)鍵詞：雙體客船;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);強(qiáng)度分析;鋼鋁混合

中圖分類(lèi)號(hào)：U663.2? ??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract：? At present， catamarans are widely used. This paper focuses on the technical key points in the structural design of passenger catamaran， analyzes the total strength of a certain type steel-aluminum mixed coastal passenger catamaran with the finite element calculation software， and makes suggestions for the structural design according to the calculation results

Key words： Passenger Catamaran; Structural design; Strength analysis; Steel-aluminum mixed structure

1? ? 引言

雙體船憑借其穩(wěn)性好、甲板面積大、外觀(guān)新穎等特點(diǎn)，在民船、軍船和海洋工程中得到迅速發(fā)展，尤其在客船領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛。

雙體船主船體由兩側(cè)的片體和連接橋組成，甲板面積較為寬闊，同時(shí)兩個(gè)片體瘦而長(zhǎng)以減小其所受興波阻力。獨(dú)特的船體結(jié)構(gòu)形式必然導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)載荷及強(qiáng)度特點(diǎn)與單體船有所不同。在雙體船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度計(jì)算時(shí)會(huì)產(chǎn)生較多的技術(shù)難點(diǎn)，如全船結(jié)構(gòu)重量控制、連接橋與片體的連接形式及加強(qiáng)、首尾抗扭結(jié)構(gòu)的設(shè)置、船體空間狹小施工難等一系列問(wèn)題。

本文介紹了鋼鋁混合雙體沿海客船的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，闡述了設(shè)計(jì)過(guò)程中的技術(shù)要點(diǎn)和應(yīng)予關(guān)注的問(wèn)題，并對(duì)其連接橋進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限元分析計(jì)算，以評(píng)估其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是否合理等，從而得出一些設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，可為后續(xù)類(lèi)似船舶設(shè)計(jì)時(shí)提供參考。

2? ? 鋼鋁混合雙體客船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

雙體客船船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參照中國(guó)船級(jí)社《國(guó)內(nèi)航行海船建造規(guī)范》（2018）（以下簡(jiǎn)稱(chēng)《規(guī)范》）、《船舶與海上設(shè)施法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則》2011及最新修改通報(bào)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)《規(guī)則》）的有關(guān)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)和構(gòu)件加強(qiáng)。

2.1? 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式特點(diǎn)

典型鋼鋁混合雙體客船主船體部分由左右兩個(gè)單片體和中間連接橋組成，為鋼質(zhì)全焊接結(jié)構(gòu)。其中，片體為連續(xù)甲板、單殼，主船體片體和連接橋通常采用橫骨架式結(jié)構(gòu)，并對(duì)連接橋位于首尖艙和尾尖艙的區(qū)域設(shè)置抗扭箱以提高抗扭能力。

上層建筑采用大跨度框架結(jié)構(gòu)以增加其內(nèi)部空間的通透性，甲板骨架采用縱骨架式，客艙側(cè)壁為大開(kāi)口玻璃幕墻。

2.2? 總強(qiáng)度計(jì)算

依據(jù)《規(guī)范》要求，雙體船總強(qiáng)度需進(jìn)行直接計(jì)算。

3? ?設(shè)計(jì)實(shí)例及總強(qiáng)度計(jì)算分析

3.1? 設(shè)計(jì)實(shí)例簡(jiǎn)介

以某航行于珠江及附近海域（沿海航區(qū)）的300客位鋼鋁混合雙體客船為例進(jìn)行，全船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并建立全船結(jié)構(gòu)有限元模型。根據(jù)《規(guī)范》對(duì)其連接橋區(qū)域的總橫強(qiáng)度和扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度進(jìn)行校核。

該船主要用于海上觀(guān)光和旅游交通;船體為雙體、雙機(jī)、雙槳、雙舵、尾機(jī)型，主船體為鋼質(zhì)全焊接結(jié)構(gòu)，上層建筑客艙區(qū)域?yàn)殇X合金材料。該船主尺度參數(shù)如下，典型橫剖面見(jiàn)圖1。

3.2? 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)要點(diǎn)

鋼鋁混合雙體客船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有其獨(dú)特的技術(shù)難點(diǎn)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中以滿(mǎn)足《規(guī)范》和《法規(guī)》要求為前提，在設(shè)計(jì)過(guò)程中須重點(diǎn)關(guān)注以下問(wèn)題：

（1）全船結(jié)構(gòu)重量控制

由于要保證一定的航速且客船排水量較小，要求盡可能降低船體結(jié)構(gòu)重量，可將上層建筑改用鋁合金材料，既保證了鋼質(zhì)主船體擁有足夠的強(qiáng)度和剛度，又降低了整船的結(jié)構(gòu)重量和重心;

（2）設(shè)置強(qiáng)框架

客船上層建筑強(qiáng)框架的間距將直接影響側(cè)壁大開(kāi)口窗戶(hù)玻璃設(shè)置的美觀(guān)性，因此在設(shè)計(jì)時(shí)要進(jìn)行全局考慮。同時(shí)，連接橋的強(qiáng)構(gòu)件須與主船體強(qiáng)框架在同一平面，形成完整的橫向框架結(jié)構(gòu);

（3）考慮局部狹小空間的施工要求：雙體船片體一般瘦而長(zhǎng)導(dǎo)致橫向空間較窄，尤其是首尖艙部分區(qū)域。在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)提前考慮施工因素，如采取局部塞焊或者鑄鋼件代替等;

（4）合理選取構(gòu)件規(guī)格

須注意鋁合金型材的彈性模量只有鋼材的約1/3，在選取構(gòu)件規(guī)格時(shí)應(yīng)考慮變形的影響;

（5）防火等級(jí)對(duì)結(jié)構(gòu)的影響

鋁合金的防火性能較鋼低，而客船對(duì)防火要求比較高，因此對(duì)于在選擇鋁合金尺寸的同時(shí)還應(yīng)考慮防火等級(jí)的要求，在選擇用鋼材時(shí)應(yīng)考慮防火芯材的等效替換計(jì)算;

（6）鋁合金材料和鋼材的連接形式

目前鋼鋁復(fù)合材料的有效焊接已被廣泛應(yīng)用，并取得良好效果。但是鋼鋁復(fù)合接頭位置的選取應(yīng)特別注意，鋼鋁復(fù)合材料盡可能的選取標(biāo)準(zhǔn)件，且應(yīng)保持在同一平面，在縱向受力板件中應(yīng)用鋼鋁復(fù)合材料時(shí)應(yīng)盡可能使接頭縫成45°角設(shè)置;

（7）抗扭箱的設(shè)置

雙體船在斜浪中連接橋的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度需在設(shè)計(jì)時(shí)考慮，可在首尾扭轉(zhuǎn)變形較大區(qū)域設(shè)置抗扭箱，并采用有限元方法進(jìn)行直接計(jì)算進(jìn)行驗(yàn)證;

（8）連接橋底封板的設(shè)置

對(duì)于連接橋區(qū)域，有設(shè)置底封板和不設(shè)置底封板兩種方案：設(shè)置底封板可有效保護(hù)連接橋構(gòu)件，但會(huì)增加結(jié)構(gòu)重量;但設(shè)置底封板可以提高雙體船抗橫彎的能力。因此，設(shè)計(jì)時(shí)如果全船結(jié)構(gòu)重量允許的情況下，建議設(shè)置底封板以增強(qiáng)其抗橫彎能力;

（9）上層建筑采用大跨度桁架設(shè)計(jì)

為避免影響客艙的使用和美觀(guān)，應(yīng)盡量不設(shè)或少設(shè)置支柱;在設(shè)計(jì)構(gòu)件大小時(shí)，必須綜合考慮層高、跨距及輪機(jī)、舾裝、電氣等各專(zhuān)業(yè)間的協(xié)調(diào)。主要是通風(fēng)管道和內(nèi)部裝修對(duì)層高的影響， 必要時(shí)可采用箱型梁有效增大構(gòu)件的強(qiáng)度而降低構(gòu)件高度，同時(shí)須注意箱型梁腹板和面板比例的協(xié)調(diào)。

3.3? 總強(qiáng)度計(jì)算

3.3.1模型范圍及單元類(lèi)型

有限元模型取主甲板以下的全船結(jié)構(gòu)，具體的模型范圍如下：縱向范圍為從尾封板至船首;橫向范圍為全寬;垂向范圍為從船底至主甲板處。

模型片體/連接橋甲板、舷側(cè)板、片體/連接橋底板、橫艙壁/橫隔板、縱桁、強(qiáng)橫梁以及各強(qiáng)構(gòu)件腹板、主機(jī)座縱桁、面板、橫隔板等，均采用二維3、4節(jié)點(diǎn)殼單元模擬;其它縱骨、加強(qiáng)筋以及強(qiáng)構(gòu)件面板等，用2節(jié)點(diǎn)梁?jiǎn)卧M。

3.3.2? 邊界條件及載荷

（1）邊界條件

對(duì)于處于平衡狀態(tài)的整船有限元模型，可采用《規(guī)范》中表4.2.1及圖4.2.1設(shè)置邊界支點(diǎn)及約束條件。

（2）載荷計(jì)算

若雙體客船具有以下特征：L≤60 m、L/D ≤15、B/D≤3.5、b1/B ≤0.4，可按《規(guī)范》18.3.2確定船舶的總載荷。該船主要參數(shù)滿(mǎn)足上述特征，故可根據(jù)《規(guī)范》18.3.2公式計(jì)算載荷，計(jì)算結(jié)果如下（見(jiàn)表1）。

（3）載荷施加

連接橋總橫彎矩Mbx，可通過(guò)與片體內(nèi)側(cè)系列節(jié)點(diǎn)上施加橫向?qū)﹂_(kāi)力等效進(jìn)行計(jì)算。

橫向?qū)﹂_(kāi)力fy按下式計(jì)算：

（1）

式中：Mbx—連接橋總橫彎矩，kN·m;

z—橫向?qū)﹂_(kāi)力施加點(diǎn)至連接橋中縱剖面中和軸的垂向距離，m;

n—單個(gè)片體施加橫向?qū)﹂_(kāi)力的節(jié)點(diǎn)總數(shù)。

橫向?qū)﹂_(kāi)力分別施加在每個(gè)片體各肋位的平板龍骨中點(diǎn)。

連接橋的總橫扭矩Mty，可通過(guò)反對(duì)稱(chēng)分布在片體中縱剖面內(nèi)的垂向均布力等效施加。反對(duì)稱(chēng)分布是指垂向均布等效力，即關(guān)于雙體船中縱剖面反對(duì)稱(chēng)和關(guān)于中橫剖面反對(duì)稱(chēng)，等效的垂向分布載荷Px由下式計(jì)算：

（2）

式中：L—雙體船船長(zhǎng)，m;

Mty—連接橋扭矩。

按船長(zhǎng)計(jì)算，求得等效的垂向分布載荷Px=27100 N/m。

3.3.3? 計(jì)算工況

計(jì)算工況參考《規(guī)范》規(guī)定，該船小于50 m，校核6種載荷組合工況（見(jiàn)表2）。

3.3.4 強(qiáng)度衡準(zhǔn)及計(jì)算結(jié)果

（1）屈服強(qiáng)度許用應(yīng)力

根據(jù)《規(guī)范》，屈服強(qiáng)度許用應(yīng)力見(jiàn)表3;梁?jiǎn)卧兑?guī)范》并未規(guī)定許用衡準(zhǔn)，其組合應(yīng)力將參考板單元相當(dāng)應(yīng)力衡準(zhǔn)（200 MPa）進(jìn)行評(píng)估。

（2）屈曲強(qiáng)度評(píng)估衡準(zhǔn)

屈曲強(qiáng)度評(píng)估參考《規(guī)范》要求，即甲板及艙壁的標(biāo)準(zhǔn)減薄厚度為1 mm，甲板及艙壁的最小屈曲安全因子為0.8。

（3）計(jì)算結(jié)果

連接橋應(yīng)力計(jì)算結(jié)果匯總，見(jiàn)表4。 對(duì)連接橋甲板及橫艙壁應(yīng)力較大的板格進(jìn)行屈曲強(qiáng)度校核。根據(jù)校核結(jié)果，該船連接橋及艙壁支撐結(jié)構(gòu)的屈服及屈曲強(qiáng)度均滿(mǎn)足《規(guī)范》要求。

4? ?結(jié)論

（1） 對(duì)于鋼鋁混合客船的設(shè)計(jì)，鋁合金材料與鋼材的連接形式和位置相當(dāng)關(guān)鍵，直接影響全船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和安全。在此類(lèi)船設(shè)計(jì)中選用鋼鈦復(fù)合材料且盡可能使連接斷面選取在同一型深方向上，有利于全船強(qiáng)度和施工要求;

（2） 施加總橫彎矩時(shí)，位于橫艙壁附近的主甲板及連接橋底板易出現(xiàn)應(yīng)力集中，尤其是位于主甲板和升高甲板的結(jié)構(gòu)突變位置，這部分區(qū)域的主甲板及連接橋底板需要進(jìn)行適當(dāng)加厚;

（3） 施加總橫彎矩時(shí)，在連接橋與片體連接位置產(chǎn)生較大應(yīng)力，對(duì)該處強(qiáng)肋骨或橫艙壁部分區(qū)域采取局部加強(qiáng)，同時(shí)該區(qū)域的連接橋橫向強(qiáng)構(gòu)件采取端部放大或加厚板的方法以增加強(qiáng)度;

（4） 施加總橫扭矩時(shí)，在首尾抗扭箱位置產(chǎn)生較大應(yīng)力，須對(duì)抗扭箱的結(jié)構(gòu)形式和強(qiáng)度重點(diǎn)關(guān)注，可采取適當(dāng)加厚橫隔板、采用高強(qiáng)鋼或?qū)M隔板插入船殼內(nèi)部的連接形式，以提高抗扭箱的強(qiáng)度。

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