某大型客滚船铝上层建筑带筋板结构设计应用

梁家日 庄涛 赵勇

摘    要：目前铝合金材料主要应用于小型客船、游轮及高速船上，而大型船体结构极少采用。随着船舶能耗指数、减排及海上人员生命安全需求升级，《国际海上人命安全公约》对大型客船/客滚船稳性提出更高要求，船舶特别是大型客船上层建筑轻量化设计具有更加重要的意义。由此可推断，大型船舶上建结构采用铝合金带筋板材料将有良好的发展前景。研究大型客滚船铝上层建筑带筋板结构设计方案的安全性及经济性，将有利于形成造船业铝合金带筋板结构通用化、产业化。本文简要介绍某大型客滚船上层建筑采用铝质带筋板结构案例。

关键词：带筋板；搅拌摩擦焊；上层建筑；结构设计

中图分类号：U318.2                                文献标识码：A

Superstructure Design of Aluminum Sheet with Ribs for

Large Ro/Ro Passenger Ship

LIANG Jiari1，  ZHUANG Tao2，  ZHAO Yong3

（ 1.China Merchants Heavy Industry （Shenzhen） Co.， Ltd.， Shenzhen 518054;  2.China Merchants Jinling Shipyard （Weihai） Co.， Ltd.， Weihai 264200;

3.China Merchants Cruise Research Institute （Shanghai） Co.， Ltd.，  Shanghai 200135 ）

Abstract： The aluminum alloy materials are now mainly applied to small passenger ships， cruise ships and high-speed ships， and rarely used on large hull structures. With the upgrading requirements for shipping energy consumption index， emission reduction and safety of personnel life at sea， the International Convention for the Safety of Life at Sea proposes higher requirements on the stability of large passenger vessels and Ro/Ro passenger ships. Therefore， it is more important for the lightweight design of the superstructure of large passenger ships. In this context， it is expected to become a trend for the superstructure of large ships to use aluminum alloy with reinforced steel plates， a new green material. The study on the safety and economy of the design scheme of aluminum sheet with ribs in the superstructure of large passenger and Ro/Ro passenger vessels will be conducive to the formation of the construction industrialization of aluminum alloy sheet with ribs in the shipbuilding industry. This paper outlines the aluminum sheet with ribs in the superstructure of large Ro/Ro passenger vessels.

Key words： sheet with ribs;  friction stir welding;  superstructure;  structural design

1     前言

新版《国际海上人命安全公约》对大型客船（含客滚船）的初稳性GM值要求提高，为此，大型客船上层建筑进行轻量化具有更为重要的意义。铝合金具有良好的化学和物理特性。其强度高，重量轻，是一种可回收循环使用的金属材料，船舶采用铝合金材料，可减少其排水量，从而提高船舶航速、减少能耗、提高船舶能效指数（EEDI），即可减少碳排放，促进造船行业绿色发展。因此，铝合金可称为船舶绿色金属。

基于铝合金的特性，通过加热铝合金铸锭[1]在特制模具中挤压成形，通过挤压工艺可得到任何形状的型材产品。挤压制成含有型材的铝板称为带筋板标准件，在自动化车间可通过搅拌磨擦焊拼板，形成满足要求的各种尺寸带筋板。

鋁合金带筋板是一种新型造船材料，它自重轻、结构尺寸精度高、美观、残余应力小[2]。如船舶结构大量采用，可以大大减少焊缝焊接工作量，提高产品质量和建造效率，有效降低船舶上层建筑建造综合成本，是一种可替代钢质上层建筑的理想新材料。

本文将简要介绍批量建造的某大型客滚船部分上建采应用带筋板型式的铝合金结构方案。

2    船舶概况

W0279大型客滚船总长203 m、型宽27.8 m、设计吃水6.6 m、服务航速23节、车线长度3047.5 m，可用于装载轿车、载重汽车等各类车辆。并可承载1000名乘客，配置146间客舱和486套豪华躺椅，设有酒吧、休息室、商店、儿童乐园、宠物间、阳光甲板等公共娱乐场所，符合最新无障碍标准。

3     设计及应用

3.1   材料选用

本船上层建筑肋距840 mm，纵骨间距620 mm，铝合金下方的板厚6 mm，横纵壁板、甲板扶强材均为HP100x6。为了与铝合金结构下方的骨材对齐及减少设计工作量，选用球扁钢作为带筋板的筋。载荷经过结构强度规范计算[3]，确定选用甲板用带筋板，规格为宽度310 mm，板厚5 mm，筋骨材HP80x5（见图1）。

3.2   带筋板布置方案

横纵围壁板扶强材均采用竖向布置（见图2）。这种传统的骨材布置方向，保证了骨材按肋位及纵骨间距对应其下方结构，将各横纵壁当作建筑混合结构的承重墙，有利于应力的传递。但其经济性较差，应用优势不明显，为此将横、纵围壁扶强材设计成水平布置（见图3）。主要通过适当增加强竖桁及调整筋的间隔密度，来保证上层建筑结构的强度及稳定性，将各横纵壁比作建筑框架结构的非承重壁，强竖桁主要作为承重柱，支承并传递上层甲板的载荷及满足压杆稳定要求。横、纵围壁板统一结构型式，形成通用型。

3.3   带筋板应用方案

因主船体是钢质结构，受制于铝-铝焊接和钢-鋁过渡接头的强度限制。目前铝合金围壁和甲板用于次要结构和应力水平较低的部分，船舶上层建筑符合这一结构范围，适合使用铝合金带筋板结构，带筋板搅拌摩擦焊焊缝接头抗拉强度需满足母材抗拉强度60%以上，钢-铝接头最低剪切强度不小于60 MPa。在铝合金上层建筑结构性能方面，采用非线性有限元分析，针对实船结构，开展铝合金上层建筑强度评估，分析铝合金上层建筑与主船体之间相互作用的应力分布，并对铝合金上层建筑结构进行应力校核；通过用结构试验与有限元分析相结合的方法计算钢-铝不同材料上层建筑的应力集中系数，针对上层建筑端部应力集中的特点，对应力集中区域进行结构优化；采用非线性有限元法，开展铝合金带筋板结构稳定性分析，结合铝合金带筋板常用结构形式，分析影响铝合金带筋板结构稳定性的多种因素；基于非线性有限元法，开展对铝合金上层建筑的屈服和屈曲强度的校核，分析得到结构设计过程中需重点校核的危险区域[3]。通过采取上述措施，确保铝合金材料在正常使用的过程中不会破坏。按DNV规范要求计算及有限元分析，设计出如下四款带筋板：

1）SWR01板厚5 mm，HP80x5，骨材间距400 mm；

2）SWR02板厚6 mm，HP80x5，骨材间距400 mm；

3）SWR03板厚7 mm，HP120x7，骨材间距400 mm；

4）SWR04板厚5 mm，HP80x5，骨材间距310 mm。

该船应用情况：SWR01带筋板多用于上层建筑内纵壁、内横舱壁及后外横壁、外内侧纵壁（电梯围井侧壁）；SWR02带筋板多用于上层建筑后外横壁、内稍强纵壁和横壁、外纵壁；SWR03带筋板用于前外横壁；SWR04带筋板用于甲板。

3.4   材料利用率

使用铝合金结构需重点考虑其经济成本指标。如要实现整个铝合金上层建筑使用带筋板，船厂分段建造过程中将大量减少焊缝焊接工作量，同时提高产品质量和建造效率，能有效降低上层建筑建造的综合成本。本船首次在大型客船上使用铝合金带筋板结构，应用范围没有做到100%，有些结构仍采用传统的普通铝板焊型材结构，完工后，经过对比，使用铝合金带筋板经济成本明显优于普通铝板焊型材的结构。经过统计，首次使用带筋板的利用率91%。如果通过提前统筹综合设计、生产设计建模完整性出图、生产工艺节点优化等措施，铝合金带筋板的利用率应能达到95%以上。可采取如下两种措施以提高带筋板利用率：

1）门窗盖及大开口，不采用在壁板或甲板上开孔的传统方法，而是用带筋板直接围孔[4]。此方法需提前在带筋板订货前固化门窗盖开口及大开口，不能在订货后修改门窗盖开口及大开口的尺寸及位置；

2）由于甲板或壁板上要设置T型材或壁板，需切割此档位球扁铝，再焊接结构（T型材或壁板），需优化此处的板缝节点。

4    铝合金结构防火设计

铝合金结构设计时还需重点考虑满足防火A级分隔要求。国际海事组织（International Maritime Organization，IMO）海安委MSC 307（88） （2010 FTPC Code）规定：铝合金结构强度需要等效或高于标准试样强度，如无法证明，需要对新结构进行耐火试验，并提供试烧报告，符合后才能为试验的防火绝缘材料提供证书。设计的舱壁与甲板结构要符合A 级分隔5项衡准的要求，因此需要提前与防火绝缘材料厂商及船级社沟通。本项目上层建筑结构设计完成后送船级社审查，船级社认为，铝合金结构防火A 级分隔不满足要求，需要试烧或增大加强筋规格。经协调沟通，船级社最终确认优化后的铝合金结构，要求选用有试烧报告，取得其船级社认可证书的岩棉包敷，等效的结构不需要进行结构A级耐火试验。此船需在北欧寒区航线，铝合金结构设计还需注意在寒区作业时进行伴热防冻设计，并考虑热胀冷缩变形因素[5]。

5    需要解决的问题

基于铝合金材料特性，应用铝合金带筋板结构存在结构强度不足的挑战，特别是上层建筑参与船舶总纵强度方面，主要有以下方面：

1）钢结构与铝合金结构的许用应力、拉伸应力以及材料延展性差异较大，共同参与总纵变形导致材料不协调；

2）对于上层建筑连续甲板及内部主竖区舱壁存在疲劳热点区域，由于铝合金的冲击韧性较差，很难满足疲劳的要求；

3）钢铝接头能够承受的剪切应力很小，约60～80 MPa。在最上层连续甲板处，剪切应力较大，通常超过100 MPa，甚至接近200 MPa，图4为本船钢铝接头剪切应力分布示意图，显示Deck 9处钢铝接头无法满足剪切许用应力要求；

4）焊接后铝合金结构的许用应力降低明显[6]，在参与总纵强度的情况下，很难满足许用应力的要求。

综上所述，在上层建筑区域全部采用连续的全铝结构存在较大难度。如在上层建筑区域必须采用連续的铝合金结构，则宜考虑避免铝合金结构参与总纵强度的设计。如将连续结构间断而采用滑移接头形式，则需考虑该处的结构连接问题，并考虑风雨密、防火等相关要求。

6     结束语

该型客滚船最上层建筑使用铝合金具有深远意义。其为首次在大型客滚船上大量使用铝合金带筋板结构，具有应用示范作用，创新性较强。目前也已有多项相关科研课题正在推进中。望本文能起到抛砖引玉的作用，为大型船舶上建采用铝合金带筋板结构技术助力。

参考文献

[1] 窦志家，董颖，刘施洋等.船用5083铝合金带筋板挤压及搅拌摩擦焊 工艺研究[J].有色金属加工， 2019， 48 （03）.

[2] 王承权，戴海波，杜述勇.铝合金船体结构应用带筋板的几个问题[J].船海工程， 2003 （04）.

[3] 陈南华，邓建通，钱雯等.42.5 m铝合金高速船结构设计[J].船海工程， 2021， 50 （05）.

[4] 胡焱.一种超宽薄壁带筋板船用型材的研究和开发[J].铝加工， 2022 （03）.

[5] 孙瑞，余齐威，梅冠军等.寒区作业船舶的自动伴热防冻系统设计[J].船海工程， 2018， 47 （05）.

[6] 陈军，李华平，肖圣亮等.某船3 mm铝合金甲板焊接变形控制工艺[J].广东造船， 2023， 42 （04）.

作者简介：梁家日（1979- ），男，工程师。主要从事船舶与海洋工程设计工作。

庄  涛（1982- ），男，工程师。主要从事船舶电气设计工作。

收稿日期：2023-08-15