王虎，何書韜，周心桃，凌昊

中國艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北武漢 430064

0 引言

水面艦船的船體結(jié)構(gòu)重量占用了艦船總體很大的重量資源，而艦船作戰(zhàn)使命任務(wù)和使用要求對艦船搭載更多武備及其他物資的需求越來越強(qiáng)烈，對艦船結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)提出了更高的要求；另一方面，隨著水面艦船主尺度的不斷增大，對船體結(jié)構(gòu)的承載能力也提出了更高的要求；此外，由于反艦武器的不斷發(fā)展，對水面艦船的威脅和破壞力越來越大，對水面艦船防護(hù)結(jié)構(gòu)的防護(hù)性能也提出了更高的要求。對于上述問題的解決，傳統(tǒng)材料和傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)已顯得力不從心。因此，選用新的結(jié)構(gòu)材料和結(jié)構(gòu)形式，使船體結(jié)構(gòu)在保持應(yīng)有性能的同時(shí)重量適當(dāng)降低，并且盡量提高防護(hù)結(jié)構(gòu)的防護(hù)效能是未來水面艦船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)的迫切需求之一，對艦船總體設(shè)計(jì)具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義［1］。復(fù)合材料技術(shù)可以在一定程度上解決上述問題，但僅局限于部分上層建筑結(jié)構(gòu)，很難應(yīng)用于對強(qiáng)度、剛度要求很高的主船體結(jié)構(gòu)。從目前國外先進(jìn)水面艦船的研制情況來看，鋼質(zhì)夾層結(jié)構(gòu)是一個(gè)有效的解決途徑［1-5］。

鋼質(zhì)夾層結(jié)構(gòu)是一類由鋼質(zhì)上、下面板以及諸如波紋型、蜂窩型、桁架型等鋼質(zhì)夾芯，通過激光焊接技術(shù)連接成一個(gè)整體的夾層結(jié)構(gòu)，在船舶領(lǐng)域的應(yīng)用前景非常廣闊。研究表明：夾層結(jié)構(gòu)的比強(qiáng)度高、比剛度高、抗沖擊性能好，可有效提高船體結(jié)構(gòu)性能，降低船體結(jié)構(gòu)重量；便利的加工、組裝方式可縮短船舶建造的生產(chǎn)周期，降低制造成本；此外，夾層結(jié)構(gòu)還具有減振、降噪、防腐和防火隔熱等傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)無法比擬的優(yōu)勢［1-4］。

美國海軍已將V型鋼質(zhì)夾層結(jié)構(gòu)（LASCOR）應(yīng)用于多型水面艦上，包括：“惠特尼山”號指揮艦（LCC-20）的2個(gè)天線平臺，減重達(dá) 9 t［6］；DD-981，CV-41，DDG-51［7-8］和新型瀕海戰(zhàn)斗艦（LCS）［9］的多個(gè)部位；DDG-1000級新型多任務(wù)驅(qū)逐艦，每艘艦將配備84塊LASCOR板；CVN-21級航空母艦，每艘艦將配備1000余塊LASCOR板。歐洲諸多船廠成立了激光焊接生產(chǎn)線，并將I型鋼質(zhì)夾層結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用到了游輪和客船的甲板、艙壁和樓梯平臺等部位［10］。多家船級社也出臺了相關(guān)的設(shè)計(jì)規(guī)范［11-13］。

但是，目前在國內(nèi)僅開展了一些將夾層結(jié)構(gòu)應(yīng)用于船體防護(hù)結(jié)構(gòu)的原理性研究工作［14-19］，尚無鋼質(zhì)夾層結(jié)構(gòu)在艦艇上的應(yīng)用實(shí)例，主要原因在于欠缺系統(tǒng)的研究和成熟的制造工藝，同時(shí)很重要的一點(diǎn)在于鋼質(zhì)夾層結(jié)構(gòu)在船體結(jié)構(gòu)應(yīng)用中的各種連接節(jié)點(diǎn)未得到充分研究。Kujala等［4］也指出，連接形式是目前鋼質(zhì)夾層結(jié)構(gòu)在船舶制造中大規(guī)模應(yīng)用的瓶頸技術(shù)之一。

夾層結(jié)構(gòu)的連接形式向來受設(shè)計(jì)者的關(guān)注。蜂窩結(jié)構(gòu)在航空、航天領(lǐng)域應(yīng)用過程中出現(xiàn)了多種連接問題，引發(fā)了大量研究：Devadas等［20］研究了蜂窩結(jié)構(gòu)的平面連接；Heimbs等［21］研究了蜂窩結(jié)構(gòu)的角接形式；Kim［22］，Cho［23］和 Nguyen［24］等研究了蜂窩結(jié)構(gòu)的 T型連接；Bianchi［25-26］，Heimbs［27］，Raghu［28］，Lim［29］和 Smith［30］等研究了蜂窩結(jié)構(gòu)的嵌入式連接。復(fù)合材料在船舶等領(lǐng)域應(yīng)用中的連接問題也有諸多研究：Toftegaard［31］，N?slund［32］和Khalili［33］等以船舶中甲板和舷側(cè)的連接為背景，設(shè)計(jì)了復(fù)合材料之間的T型接頭；Bozhevolnaya［34］和Tsouvalis［35］等研究了復(fù)合材料的嵌入式連接；Boyd［36］，Park［37］和 Abibe［38］等研究了復(fù)合材料與金屬之間的連接形式。上述兩種結(jié)構(gòu)的連接節(jié)點(diǎn)的研究成果對艦用鋼質(zhì)夾層結(jié)構(gòu)連接形式的研究有著很好的借鑒和啟發(fā)作用。

本文將著眼于鋼質(zhì)夾層結(jié)構(gòu)在水面艦船中的應(yīng)用，參考蜂窩結(jié)構(gòu)和復(fù)合材料連接形式的研究成果，梳理艦用鋼質(zhì)夾層結(jié)構(gòu)的典型連接節(jié)點(diǎn)，分析連接節(jié)點(diǎn)的必要性、重要性和設(shè)計(jì)要求，匯總幾種典型連接形式，總結(jié)連接結(jié)構(gòu)的數(shù)值分析方法。

1 艦用鋼質(zhì)夾層結(jié)構(gòu)的連接問題

1.1 艦用鋼質(zhì)夾層結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)類型

傳統(tǒng)船體甲板結(jié)構(gòu)由縱桁、橫梁和加筋板組成，Klanac［39］和 Kozak［40-42］等提出了一種新的設(shè)計(jì)思想：在傳統(tǒng)甲板結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，沿用縱桁與強(qiáng)橫梁組成的強(qiáng)框架，將縱桁間（及縱桁與舷側(cè)之間）的加筋板結(jié)構(gòu)替換為夾層板格結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 夾層結(jié)構(gòu)在船體結(jié)構(gòu)中應(yīng)用的示意圖Fig.1 The application of sandwich panel in shipbuilding

實(shí)際建造中，在激光焊接車間中，先批量生產(chǎn)鋼質(zhì)夾層結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)件（標(biāo)準(zhǔn)件的尺寸有限，有時(shí)小于相鄰縱桁間距或縱桁與舷側(cè)的間距，需進(jìn)行鋼質(zhì)夾層結(jié)構(gòu)之間的橫向平面對接），然后再運(yùn)往建造場地組裝，組裝時(shí)，需要進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)件的各種連接。鋼質(zhì)夾層結(jié)構(gòu)之間的連接主要包括平面對接、角接和T型連接等，如圖2所示（以I型鋼質(zhì)夾層結(jié)構(gòu)為例進(jìn)行說明）。由圖1所示的結(jié)構(gòu)形式不難看出，還需進(jìn)行鋼質(zhì)夾層結(jié)構(gòu)與T型材的連接，如圖3（a）所示。此外，由于船體結(jié)構(gòu)中僅有部分結(jié)構(gòu)采用的是鋼質(zhì)夾層結(jié)構(gòu)，部分結(jié)構(gòu)仍采用傳統(tǒng)船體結(jié)構(gòu)，故需進(jìn)行鋼質(zhì)夾層結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)船體結(jié)構(gòu)的連接，主要包括平面對接、角接和T型連接等，如圖3（b）～圖3（d）所示。

圖2和圖3僅顯示了平行于芯層腹板方向的連接，而在實(shí)際中，還需進(jìn)行垂直于芯層腹板方向的連接。在后一種連接中，芯層腹板也可參與連接，且更容易保證連接強(qiáng)度。相比之下，平行于芯層腹板方向的連接更容易失效［43］，因此，本文主要考慮這種連接節(jié)點(diǎn)。

圖2 艦用鋼質(zhì)夾層結(jié)構(gòu)之間的典型連接節(jié)點(diǎn)（以I型鋼質(zhì)夾層結(jié)構(gòu)為例）Fig.2 The typical connections between steel sandwich panels on ships（taking I-core sandwich panel as an example）

圖3 艦用鋼質(zhì)夾層結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)船體結(jié)構(gòu)之間的典型連接節(jié)點(diǎn)（以I型鋼質(zhì)夾層結(jié)構(gòu)為例）Fig.3 The typical connections between steel sandwich panel and traditional hull structure（taking I-core sandwich panel as an example）

1.2 艦用鋼質(zhì)夾層結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)要求

艦用鋼質(zhì)夾層結(jié)構(gòu)的連接不僅必不可少，且尤為重要。一方面，艦用鋼質(zhì)夾層結(jié)構(gòu)本身的各項(xiàng)性能俱佳，連接節(jié)點(diǎn)正是夾層船體結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，連接結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度性能在很大程度上影響了夾層船體結(jié)構(gòu)的整體性能；另一方面，對于鋼質(zhì)夾層船體結(jié)構(gòu)的建造而言，主要的建造施工工作正是鋼質(zhì)夾層結(jié)構(gòu)的各種連接，連接形式又在很大程度上影響了船體結(jié)構(gòu)的建造效率。

因此，連接形式的設(shè)計(jì)不僅是重點(diǎn)，而且是一大難點(diǎn)。由于鋼質(zhì)夾層結(jié)構(gòu)在船廠拼接施工時(shí)無法實(shí)現(xiàn)激光焊接，只能采用傳統(tǒng)焊接，因此連接結(jié)構(gòu)的焊縫必須可見；艦用鋼質(zhì)夾層結(jié)構(gòu)屬封閉式結(jié)構(gòu)，一般只能在表層進(jìn)行焊接和連接，難以實(shí)現(xiàn)良好的剛度過渡和足夠的連接強(qiáng)度。從建造效率的角度來說，連接形式的設(shè)計(jì)還要考慮施工的便利性。此外，輕量化設(shè)計(jì)的要求又使得連接結(jié)構(gòu)的質(zhì)量不能過大。如何綜合考慮連接強(qiáng)度、施工工藝、結(jié)構(gòu)重量等因素，設(shè)計(jì)巧妙的連接形式是鋼質(zhì)夾層結(jié)構(gòu)在船體結(jié)構(gòu)應(yīng)用中必須解決的一大難題，需采用系統(tǒng)的研究予以解決［44］。

2 鋼質(zhì)夾層結(jié)構(gòu)典型連接節(jié)點(diǎn)形式

目前，有關(guān)鋼質(zhì)夾層結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)基本形式的研究偏少，且主要集中于平面對接的連接形式，其他連接形式的研究尚未形成有效的結(jié)論。

針對鋼質(zhì)夾層結(jié)構(gòu)之間平面對接的連接形式，Pyszko［45］初步分析了外接平板型連接結(jié)構(gòu)（如圖4（a）所示）的極限強(qiáng)度；Niklas［46］分析了外接平板型和內(nèi)嵌方框型連接結(jié)構(gòu)（如圖4（b）所示）的強(qiáng)度，并研究了應(yīng)力集中系數(shù)隨設(shè)計(jì)參數(shù)的變化規(guī)律。王虎［47-48］和丁德勇［49］等系統(tǒng)地分析了 5種連接結(jié)構(gòu)的面內(nèi)、面外強(qiáng)度，計(jì)算結(jié)果顯示：綜合考慮連接強(qiáng)度、施工工藝和結(jié)構(gòu)重量等方面的因素，相比其他3種連接結(jié)構(gòu)，外接平板型和內(nèi)嵌方框型連接結(jié)構(gòu)的綜合性能更優(yōu)；其中，外接平板型連接結(jié)構(gòu)的面外強(qiáng)度更優(yōu)，而內(nèi)嵌方框型連接結(jié)構(gòu)的面內(nèi)強(qiáng)度更優(yōu)。

圖4 I型艦用鋼質(zhì)夾層結(jié)構(gòu)之間平面對接的典型連接形式Fig.4 The typical flat joints between I-core steel sandwich panels

針對鋼質(zhì)夾層結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)船體結(jié)構(gòu)之間平面對接的連接形式，Ehlers［50-51］設(shè)計(jì)了若干鋼質(zhì)夾層結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)船體結(jié)構(gòu)之間的典型連接形式（如圖5所示），并基于微結(jié)構(gòu)支持理論［52-53］，計(jì)算了連接結(jié)構(gòu)各焊趾處的疲勞缺口系數(shù)；以此為評價(jià)指標(biāo)，通過改變其芯層結(jié)構(gòu)的形狀，進(jìn)行了連接結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。Kozak［40，42］和 Roland 等［2］對連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行了疲勞性能的試驗(yàn)測試，分析了連接結(jié)構(gòu)的裂紋滋生模式，提出了連接結(jié)構(gòu)疲勞性能的研究方法和步驟。

圖5 I型艦用鋼質(zhì)夾層結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)船體結(jié)構(gòu)之間平面對接的典型連接形式Fig.5 The typical flat joints between I-core steel sandwich panel and traditional hull structure

此外，Cao等［54］還提出了 2種 I型鋼質(zhì)夾層結(jié)構(gòu)與復(fù)合材料之間平面對接的連接形式，并通過實(shí)驗(yàn)，對比分析了兩種連接結(jié)構(gòu)的連接強(qiáng)度。

3 鋼質(zhì)夾層結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)數(shù)值分析方法

基于有限元軟件進(jìn)行連接結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和疲勞等性能的數(shù)值分析［45］時(shí)，需特別關(guān)注焊接接頭處的應(yīng)力集中問題。有限元模型要反映焊接接頭的細(xì)觀結(jié)構(gòu)，并劃分足夠細(xì)的網(wǎng)格；而為了準(zhǔn)確模擬計(jì)算模型的邊界條件，有限元模型的范圍又必須足夠大；若按照滿足局部分析需求的普通建模方式，整個(gè)有限元模型均采用體單元建模，計(jì)算規(guī)模將過于龐大。針對這一問題，下文將總結(jié)兩種行之有效的有限元分析方法（分別針對不同的載荷類型），以鋼質(zhì)夾層結(jié)構(gòu)之間的平面對接（圖2（a））為例進(jìn)行說明。

3.1 平面應(yīng)變模型的分析方法

當(dāng)主要關(guān)注面內(nèi)載荷作用下連接結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和疲勞性能時(shí)，可對分析模型進(jìn)行簡化。在面內(nèi)載荷（如圖6所示，該示意圖僅反映夾層甲板結(jié)構(gòu)及其面內(nèi)載荷的形式，尺寸比例不真實(shí)，且未反映橫梁）作用下，縱桁與強(qiáng)橫梁的支持反力很小，可忽略不計(jì)；含連接結(jié)構(gòu)的鋼質(zhì)夾層板格結(jié)構(gòu)及其載荷和邊界條件沿長度方向保持一致，分析模型可簡化為平面應(yīng)變模型，采用二維平面單元。

圖6 含連接結(jié)構(gòu)的鋼質(zhì)夾層甲板結(jié)構(gòu)的面內(nèi)載荷示意圖Fig.6 The in-plane loadings on the steel sandwich panel deck with flat joints

考慮到結(jié)構(gòu)及載荷和邊界條件的對稱性，以及遠(yuǎn)離連接構(gòu)件的夾層結(jié)構(gòu)部分對連接構(gòu)件強(qiáng)度的影響甚小，可采用僅含3根芯層腹板，并僅取上層面板和芯層上半部分的結(jié)構(gòu)作為分析對象，施加適當(dāng)?shù)膶ΨQ邊界約束［47］，有限元模型如圖7所示。簡化后的有限元模型非常簡單，便于快速建模和計(jì)算，并能合理反應(yīng)連接結(jié)構(gòu)的面內(nèi)強(qiáng)度和疲勞性能?？梢姡瑢τ诿鎯?nèi)載荷工況，平面應(yīng)變模型是一種有效、實(shí)用的分析方法［39，45］。

圖7 面內(nèi)載荷作用下，含連接結(jié)構(gòu)的鋼質(zhì)夾層甲板結(jié)構(gòu)的平面有限元模型Fig.7 The plane finite element model of steel sandwich panel deck with flat joints under in-plane loadings

3.2 殼—體連接結(jié)合子模型的分析方法

在實(shí)際使用中，連接構(gòu)件也需承受面外載荷。在面外載荷（圖8）作用下，縱桁與強(qiáng)橫梁處的支撐反力很大，不能忽略不計(jì)，應(yīng)將其作為支持邊界；這樣，就不能將分析模型簡化為平面應(yīng)變模型，在有限元分析中需建立其三維模型。有限元模型既要反應(yīng)連接節(jié)點(diǎn)的細(xì)觀結(jié)構(gòu)，劃分足夠細(xì)的網(wǎng)格，以準(zhǔn)確反應(yīng)焊接接頭處的應(yīng)力集中問題，又要取足夠大的范圍，以合理考慮邊界條件的影響；若按照滿足局部分析需求的普通建模方式，整個(gè)有限元模型均采用體單元建模，計(jì)算規(guī)模將過于龐大，總單元數(shù)可達(dá)200萬量級。

圖8 含連接結(jié)構(gòu)的鋼質(zhì)夾層甲板結(jié)構(gòu)的面外載荷示意圖Fig.8 The out-of-plane loadings on the steel sandwich panel deck with flat joints

可采用殼—體連接結(jié)合子模型的分析方法，在保證一定計(jì)算精度的前提下，大大降低計(jì)算規(guī)模［48］。由于主要關(guān)注的是連接結(jié)構(gòu)的普通焊接接頭的強(qiáng)度問題，因而可采用體單元模擬普通焊接接頭；鑒于其他結(jié)構(gòu)的建模精細(xì)程度對普通焊接接頭的應(yīng)力狀況影響相對較小，可采用殼單元模擬其他結(jié)構(gòu)；在二者的連接界面處進(jìn)行殼—體連接處理，如圖9所示。為進(jìn)一步降低計(jì)算規(guī)模，在普通焊接接頭的體單元模型區(qū)域內(nèi)，建立普通焊接接頭的子模型，將整體有限元模型計(jì)算所得的線位移作為其位移載荷，以求解局部的應(yīng)力分布。相關(guān)計(jì)算表明，這種計(jì)算方法能使計(jì)算規(guī)模降低至全體單元模型的10%，并保證良好的計(jì)算精度［48］?？梢?，對于面外載荷工況，殼—體連接結(jié)合子模型是一種有效、實(shí)用的分析方法［49］。

4 結(jié) 語

在將鋼質(zhì)夾層結(jié)構(gòu)應(yīng)用于水面艦船的過程中，仍存在諸多亟待解決的問題，連接節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)技術(shù)是其中的重要問題之一。國內(nèi)外的研究已形成了一系列有益的結(jié)論和有效的研究方法，匯總?cè)缦拢?/p>

1）連接節(jié)點(diǎn)是鋼質(zhì)夾層結(jié)構(gòu)在船舶制造中大規(guī)模應(yīng)用的瓶頸技術(shù)之一，對整體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和建造工時(shí)都有很大影響；設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)著重考慮連接強(qiáng)度、制造工藝和結(jié)構(gòu)重量等因素。

2）各種連接節(jié)點(diǎn)中，平面對接連接節(jié)點(diǎn)的研究較為充分。在各種平面對接的連接形式中，外接平板型和內(nèi)嵌方框型連接結(jié)構(gòu)的綜合性能較優(yōu)；其中外接平板型連接結(jié)構(gòu)的面外強(qiáng)度性能更好，內(nèi)嵌方框型連接結(jié)構(gòu)的面內(nèi)強(qiáng)度性能更好。

3）進(jìn)行連接結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和疲勞性能的有限元分析時(shí)，應(yīng)注重采用高效的分析方法：面內(nèi)載荷工況下，可采用平面應(yīng)變模型進(jìn)行連接結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的數(shù)值分析；面外載荷工況下，宜采用殼—體連接結(jié)合子模型的分析方法。

基于目前的研究狀況，筆者認(rèn)為，仍有以下幾個(gè)方面值得重點(diǎn)研究：

1）完善艦用鋼質(zhì)夾層結(jié)構(gòu)連接結(jié)構(gòu)的數(shù)值仿真研究方法體系，形成一套可用于評估連接結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、疲勞等各項(xiàng)性能的成熟的數(shù)值仿真分析方法。

2）開展艦用鋼質(zhì)夾層結(jié)構(gòu)連接結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)研究，驗(yàn)證數(shù)值仿真分析的計(jì)算精度，以提高艦用鋼質(zhì)夾層結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的可靠性。

3）研究各類艦用鋼質(zhì)夾層結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)的基本結(jié)構(gòu)形式，為鋼質(zhì)夾層結(jié)構(gòu)在艦船上的應(yīng)用打好基礎(chǔ)。

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