雙體客船上層建筑鋁合金結(jié)構(gòu)強(qiáng)度研究

黃燕玲 潘甜 張曉丹

摘 要：上層建筑鋁合金結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)可以不遵照傳統(tǒng)的規(guī)范設(shè)計(jì)法，而是應(yīng)用強(qiáng)度理論及ANSYS 程序或運(yùn)用MSC Patran/Nastran程序進(jìn)行有限元設(shè)計(jì)，這樣一方面可以確保設(shè)計(jì)中所選擇的鋁合金構(gòu)件滿足強(qiáng)度要求，另一方面又可以使船舶重量最輕化。本文以42.4m雙體觀光旅游船為例，采用MSC Patran/Nastran 計(jì)算鋁合金上層建筑結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，得出上層建筑應(yīng)力分布情況，證明選取的上層建筑的構(gòu)件尺寸滿足局部強(qiáng)度的要求，為結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計(jì)提供參考。并在其他條件都不變時(shí)，局部改變羅經(jīng)甲板前圍壁與側(cè)圍壁連接處（即應(yīng)力集中處）板厚，得出板厚與應(yīng)力的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)板厚越厚，此處板的應(yīng)力減小;且板厚度較小時(shí)，增加板厚對(duì)減小板的應(yīng)力效果明顯，當(dāng)板厚度增大到一定時(shí)，增加板厚，板應(yīng)力減小幅度并不大。

關(guān)鍵詞：鋁合金上層建筑;結(jié)構(gòu)強(qiáng)度;數(shù)值計(jì)算

中圖分類號(hào)：TG156 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ?文章編號(hào)：1006—7973（2021）02-0131-03

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，船東對(duì)船舶性能的要求越來(lái)越高，但中小型船舶本身質(zhì)量卻是影響船舶性能的一個(gè)重要因素。經(jīng)過(guò)對(duì)各種造船材料的分析對(duì)比，發(fā)現(xiàn)鋼質(zhì)材料具有價(jià)格低、易加工成型、易于維修保養(yǎng)、耐碰撞等優(yōu)點(diǎn)，因而主船體結(jié)構(gòu)采用鋼材較為理想，可以使其強(qiáng)度、剛度、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性得到保障。另外鋁合金材料具有比重和彈性模量小等優(yōu)良性能，作為上層建筑材料對(duì)高速船以及軍船尤為適用。對(duì)于滑行艇、水翼艇、氣墊船和沖翼艇等高速船，重量對(duì)航速也很敏感，如能減輕船重，也可有效提高航速。另外，現(xiàn)代艦艇航海儀器設(shè)備和武器裝備的增加，使艦艇上部重量增加，穩(wěn)性變壞。因此減輕船重，降低船舶重心以保證船舶穩(wěn)性的需求越來(lái)越迫切。而采用鋁合金作為上層建筑材料來(lái)減輕船舶上部重量是一種有效適用的方法[1]。

由于鋁的密度是2.7t/m3 ，僅為鋼的1/3，并具有耐海水腐蝕能力強(qiáng)，無(wú)低溫脆性等特點(diǎn)，因此采用鋁合金建造的船舶較鋼船具有諸多的優(yōu)點(diǎn)，如結(jié)構(gòu)重量輕，相同排水量時(shí)可多裝載，在相等航速下所需要的推進(jìn)功率比鋼船要低，其耐腐蝕能力和在低溫海域的抗裂性遠(yuǎn)高于鋼制船舶等[2]。但鋁合金的焊后屈服強(qiáng)度相對(duì)較低，若船舶采用鋁合金建造，需要重點(diǎn)考慮其強(qiáng)度問(wèn)題。

本文采用直接計(jì)算方法研究了鋁合金上層建筑結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，得出應(yīng)力分布情況，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。并對(duì)比了在其他條件都不變時(shí)，局部改變羅經(jīng)甲板前圍壁與側(cè)圍壁連接處（即應(yīng)力集中處）板厚，得出板厚與應(yīng)力的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)板厚越厚，此處板的應(yīng)力減小;且板厚度較小時(shí)，增加板厚對(duì)減小板應(yīng)力效果明顯，當(dāng)板厚度增大到一定時(shí)，增加板厚，板應(yīng)力減小幅度并不大。

1模型概述

根據(jù)《海上高速船入級(jí)與建造規(guī)范（2005）》以及《國(guó)內(nèi)航行海船建造規(guī)范（2009）》（以下簡(jiǎn)稱《海規(guī)》）的要求，鋁合金上層建筑的強(qiáng)度分析可通過(guò)大型有限元分析軟件MSC Patran/ Nastran ，施加邊界條件和載荷，計(jì)算分析獲取應(yīng)力分布和變形規(guī)律。

整個(gè)模型范圍為整個(gè)上層建筑。甲板板及圍壁結(jié)構(gòu)采用二維3、4節(jié)點(diǎn)shell單元離散，甲板橫梁及強(qiáng)橫梁、圍壁扶強(qiáng)材、加強(qiáng)筋及桁材采用2節(jié)點(diǎn)梁?jiǎn)卧M。

2計(jì)算實(shí)例

以42.4m雙體觀光旅游船的整個(gè)上層建筑為研究對(duì)象，雙體船總長(zhǎng)42.4m，水線長(zhǎng)39.4m，型深3.8m，總寬12.60m，設(shè)計(jì)吃水2.1m。主甲板至游步甲板高2.8m，游步甲板至駕駛甲板高2.6m，駕駛甲板至羅經(jīng)甲板高2.4m。具體有限元模型見(jiàn)圖1。船寬方向?yàn)閥軸，正方向由右舷指向左舷;型深方向?yàn)閦軸，正方向由船底指向甲板;船長(zhǎng)方向?yàn)閤軸，正方向由船尾指向船首。

2.1構(gòu)件尺寸

游步甲板及下圍壁的主要構(gòu)件的尺寸見(jiàn)表1。駕駛甲板以及羅經(jīng)甲板的板厚與游步甲板板厚都完全相同，只是甲板強(qiáng)橫梁和強(qiáng)扶強(qiáng)材稍微微偏小。

2.2邊界條件

根據(jù)《海規(guī)》，在圍壁結(jié)構(gòu)下緣節(jié)點(diǎn)上施加全位移約束：、、、、、，即剛性固定。

2.3計(jì)算載荷

按《海規(guī)》第2篇第2章第8節(jié)的相應(yīng)甲板設(shè)計(jì)載荷計(jì)算，將所選定的計(jì)算壓頭h（m），按p=7.06h轉(zhuǎn)化為MPa為單位的設(shè)計(jì)壓力。各層甲板及圍壁計(jì)算載荷見(jiàn)表2。

2.4 許用應(yīng)力

本船上層建筑為耐腐蝕高強(qiáng)度鋁合金，彈性模量，泊松比，密度。所有板材5083H321，其，型材6082T6，。按照《海規(guī)》中許用應(yīng)力的有關(guān)規(guī)定，板材許用應(yīng)力，骨材的許用應(yīng)力為，其中為鋁合金交貨狀態(tài)下的規(guī)定非比例伸長(zhǎng)應(yīng)力。

3計(jì)算結(jié)果分析

第一層游步甲板、第二層駕駛甲板以及羅經(jīng)甲板的板材的最大相當(dāng)應(yīng)力和骨材的最大合成應(yīng)力見(jiàn)表3。由表3可知，所有的板材和骨材的應(yīng)力值都小于許用應(yīng)力值，即上層建筑的構(gòu)件尺寸滿足局部強(qiáng)度的要求。各層板和骨材的應(yīng)力圖見(jiàn)圖2～4。

由圖2可知，游步甲板及下圍壁的板的最大相當(dāng)應(yīng)力發(fā)生在橫艙壁與甲板連接處，最大合成應(yīng)力在甲板強(qiáng)橫梁上，且應(yīng)力最終由強(qiáng)骨架和橫艙壁承受。駕駛甲板及下圍壁的板的最大相當(dāng)應(yīng)力發(fā)生在側(cè)圍壁開(kāi)口處，此處也正是結(jié)構(gòu)最弱處，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮局部加強(qiáng)。羅經(jīng)甲板及下圍壁的板的最大相當(dāng)應(yīng)力發(fā)生在前圍壁與側(cè)圍壁連接處，由于前圍壁和側(cè)圍壁窗子的開(kāi)口，此處的結(jié)構(gòu)相當(dāng)薄弱，應(yīng)力集中，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮加強(qiáng)。

當(dāng)載荷以及其他條件都不變時(shí)，只是局部改變羅經(jīng)甲板前圍壁與側(cè)圍壁連接處的板厚（即應(yīng)力集中處）時(shí)，計(jì)算發(fā)現(xiàn)其他結(jié)件不變處的應(yīng)力幾乎不變，板厚變化處應(yīng)力有明顯變化，厚度改變處板和骨材的應(yīng)力隨此處板厚度改變的關(guān)系如圖5～6。由圖5可知，板的厚度越厚，此處板的相當(dāng)應(yīng)力越小，可是隨著板的厚度增加，應(yīng)力的減小幅度越來(lái)越小。即在板厚度較小時(shí)，增加板厚可以明顯的減小板的應(yīng)力，當(dāng)板厚度增大到一定時(shí)，通過(guò)增加板厚來(lái)減小板的應(yīng)力效果不明顯。由圖6也可知，當(dāng)骨材尺寸不變時(shí)，增大板的厚度可以減小此處骨材應(yīng)力，但當(dāng)板的厚度增大到一定時(shí)，骨材應(yīng)力的減小變得越來(lái)越平緩。

4結(jié)論

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果可知本船上層建筑按直接計(jì)算校核的構(gòu)件及板材，其尺寸及厚度滿足局部強(qiáng)度的要求。同時(shí)通過(guò)仿真分析發(fā)現(xiàn)：

（1）結(jié)構(gòu)主要由強(qiáng)構(gòu)件和橫艙壁承擔(dān)應(yīng)力。

（2）最大應(yīng)力發(fā)生在大的開(kāi)口處（即結(jié)構(gòu)薄弱處），設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮此處的結(jié)構(gòu)加強(qiáng)。

（3）當(dāng)其他條件都不變時(shí)，局部改變應(yīng)力集中處板厚時(shí)，發(fā)現(xiàn)板厚越厚，此處的應(yīng)力減小;且板厚度較小時(shí)，增加板厚對(duì)減小板的應(yīng)力明顯，當(dāng)板厚度增大到一定時(shí)，增加板厚，板應(yīng)力減小效果并不明顯。

參考文獻(xiàn)：

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