朱晉超

摘要：鋼夾層板作為復(fù)合材料領(lǐng)域的新興產(chǎn)品，憑借其簡(jiǎn)單的工藝、較高的強(qiáng)度、穩(wěn)定的性能、較低的成本等一系列優(yōu)勢(shì)，得以應(yīng)用于駁船、渡輪、散貨船等船體結(jié)構(gòu)中，進(jìn)一步研究和優(yōu)化意義重大。

關(guān)鍵詞：鋼夾層板；船體結(jié)構(gòu)優(yōu)化；強(qiáng)度

鋼夾層板復(fù)合材料剛性大、強(qiáng)度高、重量輕，而且經(jīng)濟(jì)環(huán)保、舒適性好，逐漸成為船體結(jié)構(gòu)的重要材料，需對(duì)鋼夾層板船體結(jié)構(gòu)予以優(yōu)化設(shè)計(jì)，深入研究。

1.鋼夾層板船體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)原理

強(qiáng)度是復(fù)合材料推廣應(yīng)用過程中必須解決的關(guān)鍵問題，鋼夾層板材料也不例外，若鋼夾層板船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)不當(dāng)，則易對(duì)船體的安全性和使用效益構(gòu)成威脅。因此通過綜合分析、合理對(duì)比夾層板理論、單層板等效、有限元結(jié)構(gòu)等鋼夾層板船體結(jié)構(gòu)分析方法，以及屈曲強(qiáng)度和極限強(qiáng)度分析方法后，得出了優(yōu)化鋼夾層板船體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原理，具體闡述如下。

對(duì)于船體而言，高航速和大荷載是其重要的技術(shù)指標(biāo)，所以如何在滿足剛度和強(qiáng)度的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)厚度優(yōu)化尤為關(guān)鍵，簡(jiǎn)而言之，就是設(shè)計(jì)的夾層板和芯層厚度，既要符合屈曲、強(qiáng)度、頻率、位移、尺寸等約束要求，也要確保結(jié)構(gòu)重量最輕[1]。這就需要我們合理計(jì)算強(qiáng)度因子在滿足R<1的條件下單位夾層板的重量參數(shù)的最小值，即 的極小值，其中 、 、 、 、 、 分別代表頂板厚度、底板厚度、芯材厚度、表板密度、芯材密度和膠層重量，且設(shè) / =k，當(dāng)其滿足4.2 / -3.4時(shí)可得到最小的F值，表示可實(shí)現(xiàn)鋼夾層板船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化，但在實(shí)際設(shè)計(jì)中應(yīng)妥善處理剖面模數(shù)與結(jié)構(gòu)重量的矛盾。

2.鋼夾層板船體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)及其強(qiáng)度研究

2.1.結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

為更為直觀的了解鋼夾層板船體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)及其強(qiáng)度性能，在此以一鋼制油船為例加以分析。已知該母型船為無限航區(qū)的雙殼油船，總長(zhǎng)、垂線間長(zhǎng)、型寬、型深、設(shè)計(jì)吃水分別為144.0、134.5、21.5、11.3、7.65（m），吃水方形系數(shù)為0.8177，排水量和壓載艙容分別為16660和6610（m?），中拱和中垂最大靜水彎矩分別為958516和-1010319（kN.m）[2]；然后基于上述提及的結(jié)構(gòu)優(yōu)化原理和實(shí)際需要對(duì)該船的原有結(jié)構(gòu)作了改裝設(shè)計(jì)，其中甲板、內(nèi)外殼、內(nèi)外底、斜板等為重點(diǎn)優(yōu)化部位，經(jīng)初步分析發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后的鋼夾層板船體結(jié)構(gòu)的重量有所減輕；為進(jìn)一步了解結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果以及其強(qiáng)度性能，則構(gòu)建了有限元模型，但為實(shí)現(xiàn)非對(duì)稱性載荷工況，除了涉及端部橫艙壁外，還應(yīng)在模型中引入船體左右部位的舷結(jié)構(gòu)。

具體而言，該模型重要采用多點(diǎn)約束用于確定邊界條件，即一方面使端面的縱向單元與位于中心線中和軸位置的獨(dú)立點(diǎn)保持一定的相關(guān)性，并對(duì)位于后端的獨(dú)立點(diǎn)加以x軸位移約束；另一方面則借助一端為剛性固定的彈簧單元模擬邊界條件，以此確保自由端面有一個(gè)假定的平斷面，但彈簧單元需分別設(shè)置在甲板、外板、內(nèi)殼、內(nèi)底板、舷側(cè)、艙壁位置（結(jié)構(gòu)模型見圖1）[3]；最后進(jìn)行了施加載荷操作，包括船舷外水作用產(chǎn)生的壓力、貨油壓力、端面彎矩等，以便科學(xué)驗(yàn)證優(yōu)化后的船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度效果。

圖1 鋼夾層板船體結(jié)構(gòu)模型及其邊界條件

2.2.強(qiáng)度評(píng)估研究

一是針對(duì)屈服強(qiáng)度計(jì)算，依舊采用許用應(yīng)力直接計(jì)算剛夾層板船體結(jié)構(gòu)的實(shí)際承載能力，此時(shí)便需要根據(jù) 這一等效應(yīng)力估算屈服強(qiáng)度（此時(shí)的單元等效應(yīng)力等于基準(zhǔn)應(yīng)力），其中 和 分別代表單元正應(yīng)力， 代表單元剪應(yīng)力，通常鋼夾層板的面板及其支撐構(gòu)件處的基準(zhǔn)應(yīng)力不得超過235kN/mm2，而芯材的基準(zhǔn)應(yīng)力和層間剪切力應(yīng)分別小于芯材強(qiáng)度和最小粘接力；經(jīng)評(píng)估對(duì)比鋼夾層板船體結(jié)構(gòu)中的面板屈服強(qiáng)度和局部芯層強(qiáng)度，即甲板、內(nèi)外底、斜板、內(nèi)外殼的對(duì)應(yīng)工況、最大應(yīng)力、許用應(yīng)力、實(shí)際屈服度、剪切應(yīng)力等參數(shù)，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后的船體與普通船體有著類似的應(yīng)力分布，且高應(yīng)力位置也大體相同，但在整體上有著較低的應(yīng)力水平。建議在以后的鋼夾層板船體結(jié)構(gòu)優(yōu)化中，還應(yīng)適當(dāng)降低雙層底高和斜板寬度，以強(qiáng)化斜板設(shè)計(jì)效果，并合理減小面板厚度以期改善甲板的應(yīng)力效果。

二是針對(duì)屈曲強(qiáng)度計(jì)算，考慮到鋼夾層板船體結(jié)構(gòu)的屈曲強(qiáng)度需要滿足 / ≥1.1這一條件，其中 和 分別代表單面受壓載荷和梁彎曲應(yīng)力，故需要結(jié)合有限元法解決復(fù)雜的邊界問題和受載問題，優(yōu)化后的船體結(jié)構(gòu)有著較強(qiáng)的屈曲強(qiáng)度。

最后經(jīng)綜合對(duì)比分析得出，優(yōu)化后的鋼夾層板船體結(jié)構(gòu)中的甲板、內(nèi)底和外底的梁剖面模數(shù)有一定的減小，甲板、內(nèi)外底、內(nèi)外殼、邊艙斜板的質(zhì)量分別降低了13.12、6.56、70.55、84.25（噸），而且成本節(jié)約效果明顯。故上文所述的鋼夾層板船體結(jié)構(gòu)優(yōu)化效果較好，強(qiáng)度性能有所提高。

結(jié)束語：

隨著鋼夾層板在船舶和海洋領(lǐng)域應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大，對(duì)其船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其強(qiáng)度也會(huì)有越來越高的要求，進(jìn)一步提高鋼夾層板在船體中的應(yīng)用效果和價(jià)值，以強(qiáng)度因子為切入點(diǎn)，探索合理的優(yōu)化方法。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉志慧.鋼夾層板船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析方法研究[D].哈爾濱工程大學(xué)，2011（05）.

[2] 周萍.鋼夾層板船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及振動(dòng)性能分析[D].哈爾濱工程大學(xué).2011（09）.

[3] 任思楊.工程船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算及優(yōu)化研究[D].武漢理工大學(xué)，2010（06）.