双体客船上层建筑铝合金结构强度研究

黄燕玲 潘甜 张晓丹

摘 要：上层建筑铝合金结构设计时可以不遵照传统的规范设计法，而是应用强度理论及ANSYS 程序或运用MSC Patran/Nastran程序进行有限元设计，这样一方面可以确保设计中所选择的铝合金构件满足强度要求，另一方面又可以使船舶重量最轻化。本文以42.4m雙体观光旅游船为例，采用MSC Patran/Nastran 计算铝合金上层建筑结构强度，得出上层建筑应力分布情况，证明选取的上层建筑的构件尺寸满足局部强度的要求，为结构尺寸的设计提供参考。并在其他条件都不变时，局部改变罗经甲板前围壁与侧围壁连接处（即应力集中处）板厚，得出板厚与应力的关系，发现板厚越厚，此处板的应力减小;且板厚度较小时，增加板厚对减小板的应力效果明显，当板厚度增大到一定时，增加板厚，板应力减小幅度并不大。

关键词：铝合金上层建筑;结构强度;数值计算

中图分类号：TG156     文献标识码：A      文章编号：1006—7973（2021）02-0131-03

随着社会的不断发展，船东对船舶性能的要求越来越高，但中小型船舶本身质量却是影响船舶性能的一个重要因素。经过对各种造船材料的分析对比，发现钢质材料具有价格低、易加工成型、易于维修保养、耐碰撞等优点，因而主船体结构采用钢材较为理想，可以使其强度、刚度、结构稳定性得到保障。另外铝合金材料具有比重和弹性模量小等优良性能，作为上层建筑材料对高速船以及军船尤为适用。对于滑行艇、水翼艇、气垫船和冲翼艇等高速船，重量对航速也很敏感，如能减轻船重，也可有效提高航速。另外，现代舰艇航海仪器设备和武器装备的增加，使舰艇上部重量增加，稳性变坏。因此减轻船重，降低船舶重心以保证船舶稳性的需求越来越迫切。而采用铝合金作为上层建筑材料来减轻船舶上部重量是一种有效适用的方法[1]。

由于铝的密度是2.7t/m3 ，仅为钢的1/3，并具有耐海水腐蚀能力强，无低温脆性等特点，因此采用铝合金建造的船舶较钢船具有诸多的优点，如结构重量轻，相同排水量时可多装载，在相等航速下所需要的推进功率比钢船要低，其耐腐蚀能力和在低温海域的抗裂性远高于钢制船舶等[2]。但铝合金的焊后屈服强度相对较低，若船舶采用铝合金建造，需要重点考虑其强度问题。

本文采用直接计算方法研究了铝合金上层建筑结构的强度，得出应力分布情况，为结构设计提供参考依据。并对比了在其他条件都不变时，局部改变罗经甲板前围壁与侧围壁连接处（即应力集中处）板厚，得出板厚与应力的关系，发现板厚越厚，此处板的应力减小;且板厚度较小时，增加板厚对减小板应力效果明显，当板厚度增大到一定时，增加板厚，板应力减小幅度并不大。

1模型概述

根据《海上高速船入级与建造规范（2005）》以及《国内航行海船建造规范（2009）》（以下简称《海规》）的要求，铝合金上层建筑的强度分析可通过大型有限元分析软件MSC Patran/ Nastran ，施加边界条件和载荷，计算分析获取应力分布和变形规律。

整个模型范围为整个上层建筑。甲板板及围壁结构采用二维3、4节点shell单元离散，甲板横梁及强横梁、围壁扶强材、加强筋及桁材采用2节点梁单元模拟。

2计算实例

以42.4m双体观光旅游船的整个上层建筑为研究对象，双体船总长42.4m，水线长39.4m，型深3.8m，总宽12.60m，设计吃水2.1m。主甲板至游步甲板高2.8m，游步甲板至驾驶甲板高2.6m，驾驶甲板至罗经甲板高2.4m。具体有限元模型见图1。船宽方向为y轴，正方向由右舷指向左舷;型深方向为z轴，正方向由船底指向甲板;船长方向为x轴，正方向由船尾指向船首。

2.1构件尺寸

游步甲板及下围壁的主要构件的尺寸见表1。驾驶甲板以及罗经甲板的板厚与游步甲板板厚都完全相同，只是甲板强横梁和强扶强材稍微微偏小。

2.2边界条件

根据《海规》，在围壁结构下缘节点上施加全位移约束：、、、、、，即刚性固定。

2.3计算载荷

按《海规》第2篇第2章第8节的相应甲板设计载荷计算，将所选定的计算压头h（m），按p=7.06h转化为MPa为单位的设计压力。各层甲板及围壁计算载荷见表2。

2.4 许用应力

本船上层建筑为耐腐蚀高强度铝合金，弹性模量，泊松比，密度。所有板材5083H321，其，型材6082T6，。按照《海规》中许用应力的有关规定，板材许用应力，骨材的许用应力为，其中为铝合金交货状态下的规定非比例伸长应力。

3计算结果分析

第一层游步甲板、第二层驾驶甲板以及罗经甲板的板材的最大相当应力和骨材的最大合成应力见表3。由表3可知，所有的板材和骨材的应力值都小于许用应力值，即上层建筑的构件尺寸满足局部强度的要求。各层板和骨材的应力图见图2～4。

由图2可知，游步甲板及下围壁的板的最大相当应力发生在横舱壁与甲板连接处，最大合成应力在甲板强横梁上，且应力最终由强骨架和横舱壁承受。驾驶甲板及下围壁的板的最大相当应力发生在侧围壁开口处，此处也正是结构最弱处，设计时应考虑局部加强。罗经甲板及下围壁的板的最大相当应力发生在前围壁与侧围壁连接处，由于前围壁和侧围壁窗子的开口，此处的结构相当薄弱，应力集中，设计时应考虑加强。

当载荷以及其他条件都不变时，只是局部改变罗经甲板前围壁与侧围壁连接处的板厚（即应力集中处）时，计算发现其他结件不变处的应力几乎不变，板厚变化处应力有明显变化，厚度改变处板和骨材的应力随此处板厚度改变的关系如图5～6。由图5可知，板的厚度越厚，此处板的相当应力越小，可是随着板的厚度增加，应力的减小幅度越来越小。即在板厚度较小时，增加板厚可以明显的减小板的应力，当板厚度增大到一定时，通过增加板厚来减小板的应力效果不明显。由图6也可知，当骨材尺寸不变时，增大板的厚度可以减小此处骨材应力，但当板的厚度增大到一定时，骨材应力的减小变得越来越平缓。

4结论

根据以上计算结果可知本船上层建筑按直接计算校核的构件及板材，其尺寸及厚度满足局部强度的要求。同时通过仿真分析发现：

（1）结构主要由强构件和横舱壁承担应力。

（2）最大应力发生在大的开口处（即结构薄弱处），设计时应考虑此处的结构加强。

（3）当其他条件都不变时，局部改变应力集中处板厚时，发现板厚越厚，此处的应力减小;且板厚度较小时，增加板厚对减小板的应力明显，当板厚度增大到一定时，增加板厚，板应力减小效果并不明显。

参考文献：

[1]王世杰.上层建筑铝合金结构尺寸的优化设计[J].江苏船舶，2010，27（06）：18-19+22.

[2]崔立.铝合金舰船结构设计中相关问题探讨[J].船海工程，2008，37（06）：36-37.

[3]中国船级社.海上高速船入级与建造规范[M].北京：人民交通出版社，2005.

[4]管义锋，黄涣青，谷家扬，马卫泽.双体铝合金高速客船强度有限元分析研究[J].船舶工程，2011，33（06）：14-17.

[5] 中国船级社.国内航行海船建造规范[M].北京：人民交通出版社，2009.