柯 力 張延昌 劉 昆 王 元 吳嘉蒙

（1. 江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院 鎮(zhèn)江212003；2. 江蘇科技大學 海洋裝備研究院 鎮(zhèn)江212003；3.中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011）

引 言

隨著船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)大型化、復雜性、工作狀態(tài)危險性的發(fā)展趨勢，以及節(jié)能、環(huán)保、安全、舒適的需求，對船體結(jié)構(gòu)性能的要求越來越高。但是船舶自身結(jié)構(gòu)質(zhì)量卻是影響船舶性能的一個重要因素，因此結(jié)構(gòu)設計水平亟待提升從而有效解決結(jié)構(gòu)性能與結(jié)構(gòu)質(zhì)量之間的矛盾。為了解決這一矛盾，國外船廠在建造小型游艇和豪華郵輪時，常用鋁質(zhì)夾層板替代傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如設計制造全鋁游艇，在豪華郵輪的艙壁襯里、天花板等區(qū)域用鋁質(zhì)夾層板進行隔音減重等［1］。

鋁質(zhì)夾層板具有質(zhì)量輕、均勻性好、高強度剛度、耐腐蝕及隔音性能好等特點［2-4］，可以減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量、節(jié)約成本，還能改善人員辦公環(huán)境和居住環(huán)境，提高舒適度。為普及鋁質(zhì)夾層板的應用，國內(nèi)外學者針對鋁質(zhì)夾層板在船舶上的應用及力學性能分析方面開展一定的研究工作。其中，Kooistra G W［5］對鋁質(zhì)夾層板的結(jié)構(gòu)型式進行了設計并進行了強度校核，經(jīng)計算，四面體桁架式鋁質(zhì)夾層板結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)強度可以媲美蜂窩型夾層板，并且制造成本低，制造工藝相對簡單，可以用于船舶實際應用。Mohan K［6］則研究了金屬泡沫的抗沖擊性能，并針對鋁質(zhì)泡沫夾層板的結(jié)構(gòu)性能進行了沖擊試驗研究。相比于船用結(jié)構(gòu)，吸能效果顯著，并且破壞形式僅為受載面板局部穿孔，非受載面板并未失效。該種結(jié)構(gòu)形式的鋁質(zhì)夾層板用于船舶建造中可以有效提高船舶結(jié)構(gòu)安全性。Foo［7］對鋁夾層板受低速沖擊引起的失效響應情況進行試驗研究和仿真分析，結(jié)果表明鋁質(zhì)夾層板的失效主要與芯層厚度和芯層數(shù)量有關，而利用離散型建模方法得到的仿真數(shù)據(jù)與試驗數(shù)據(jù)吻合較好，具有重要的參考意義。國內(nèi)學者也在鋁質(zhì)夾層板的結(jié)構(gòu)特性和輕量化應用方面進行一些研究工作，包括鋁質(zhì)夾層板數(shù)值仿真模型化技術［8］和靜動態(tài)力學性能預報方法［9-10］，為其工程化應用提供技術支持。此外，張錢城等［11］針對車輛輕量化問題，以減重20%為目標，利用鋁質(zhì)夾層板替代實心結(jié)構(gòu)并對彎曲性能進行理論分析，結(jié)果表明鋁質(zhì)波紋夾層板抗彎性能更佳。在船舶領域，李鵬［12］基于鋁質(zhì)夾層板對船體艙室結(jié)構(gòu)進行輕量化設計，證明用鋁蜂窩夾層板替代兩種傳統(tǒng)輕艙壁可以起到明顯的減重效果，并且其強度和剛度都有所提高。

綜上所述，國內(nèi)外研究成果為鋁質(zhì)夾層板在船舶與海洋工程領域的應用奠定了基礎并指明了方向，本文依托以某船上層建筑為研究對象，利用鋁質(zhì)夾層板對上層建筑局部結(jié)構(gòu)進行替代設計，通過對比分析傳統(tǒng)加筋板架結(jié)構(gòu)與鋁質(zhì)夾層板結(jié)構(gòu)的力學性能，討論替代設計的可行性，為民船上層建筑的輕量化設計及鋁質(zhì)夾層板的實船應用提供參考。

1 鋁質(zhì)夾層板替代設計研究

1.1 夾層板結(jié)構(gòu)類型設計

為選出力學性能較佳的夾層板芯層類型，本文對常用I型、V型、U型、Uc型鋁質(zhì)夾層結(jié)構(gòu)力學性能進行對比分析，選出較佳的芯層型式。四種夾層板的芯層如下頁圖1所示。

在進行結(jié)構(gòu)替代設計時，為選出較優(yōu)的夾層板結(jié)構(gòu)類型，根據(jù)目標上層建筑結(jié)構(gòu)特點選取某前端壁局部區(qū)域與鋁質(zhì)夾層板進行力學性能對比分析。該區(qū)域長L0= 2000 mm、寬B0= 2000 mm、板厚t0= 7 mm、加筋尺寸為125 mm×75 mm×7 mm、間距s= 800 mm、結(jié)構(gòu)質(zhì)量m0= 262.66 kg。因此，四種夾層板結(jié)構(gòu)整體尺寸為L= 2000 mm、B=2000 mm，芯層尺寸參數(shù)設計如下：

I型夾層板：tf= 5 mm、tc= 3 mm、hc= 80 mm、b= 62.5 mm、W= 125 mm；

V型夾層板：tf= 5 mm、tc= 3 mm、hc= 80 mm、W= 125 mm、a= 125 mm、b= 0 mm；

U型和Uc型夾層板：tf= 5 mm、tc= 3 mm、hc= 80 mm、W= 125 mm、a= 105 mm、b= 20 mm。

圖1 四種夾層板結(jié)構(gòu)單元

基于上述結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)，利用有限元軟件Abaqus進行建模，采用殼單元模擬，網(wǎng)格尺寸取20 mm，加筋板為船用低碳鋼，夾層板為鋁合金材料；計算時參考CCS“海規(guī)”［13］，取23.5 kPa均布靜態(tài)載荷，施加于加筋板面板（外壁）和夾層板的上面板，加筋板和各夾層板約束均為四周剛性固定，計算結(jié)果匯總于表1。

表1 四種夾層板靜強度的計算結(jié)果

續(xù)表1

從表1中可以看出，在23.5 kPa均布靜載作用下，四種夾層板的應力和變形均小于該局部加筋板架結(jié)構(gòu)。其中，I型鋁板質(zhì)量最輕，V型變形最小，Uc型鋁板應力最小。因此，根據(jù)單一質(zhì)量、變形以及應力指標進行分析，很難篩選出力學性能相對較優(yōu)的夾層板類型。為定量評估各夾層板力學性能，選出力學性能較優(yōu)的夾層板結(jié)構(gòu)類型，用于后續(xù)上層建筑結(jié)構(gòu)輕量化替代設計，本文以結(jié)構(gòu)質(zhì)量、變形和應力為目標，建立目標函數(shù)f對四種夾層板進行多目標分析：

式中：α、β、γ分別是fm、fv、fs無因次指數(shù)的權重系數(shù)。從表1中可知：四種夾層板結(jié)構(gòu)質(zhì)量較加筋板輕了30%以上，α值不應較大；夾層板變形為mm級，相對于長寬均為2000 mm的夾層板而言，變形量相對較小，β值也不應較大；夾層板變形為MPa級，量級相對較大，γ值應相對較大。因此，經(jīng)綜合考慮，取α= 0.3，β= 0.3，γ= 0.4 ；fm、fv、fs分別是夾層板結(jié)構(gòu)質(zhì)量、上面板中點處的變形與應力的隸屬度。

通過對目標隸屬度進行分析，可以將目標無因次化，避免單位統(tǒng)一的問題，同時也能清晰地反應出不同對象間目標的數(shù)值大小。目標隸屬度計算方法如下：

根據(jù)式（1）和式（2）對表1中夾層板的計算數(shù)據(jù)進行處理，如表2所示。

表2 四種夾層板的目標函數(shù)

多目標函數(shù)f值越小，說明夾層板力學性能越佳。從表2中可以看出，Uc型鋁質(zhì)夾層板目標函數(shù)最小，V型次之。因此，與目標上層建筑某局部前端壁結(jié)構(gòu)相比，Uc型夾層板具有更優(yōu)的靜力學性能，本文選取Uc型鋁質(zhì)夾層板進行后續(xù)上層建筑結(jié)構(gòu)輕量化替代設計。

1.2 連接結(jié)構(gòu)設計

1.2.1 上層建筑結(jié)構(gòu)特點

目標上層建筑有五層甲板室，為縱骨架式結(jié)構(gòu)，如圖2所示。甲板室由甲板板、艙室以及端壁結(jié)構(gòu)組成，總重454 t，其中前端壁結(jié)構(gòu)（含骨材）重3.25 t，01前端壁與船體主甲板連接。

圖2 上層建筑整體結(jié)構(gòu)圖

從圖2可以看出，該上層建筑前端壁結(jié)構(gòu)布置均勻且加筋尺寸相當，各層端壁厚度差異不大，平整度較高，易于裝配。因此，針對上層建筑前端壁結(jié)構(gòu)可進行鋁質(zhì)夾層板輕量化替代設計，并對替代過程中出現(xiàn)的夾層板與夾層板以及夾層板與加筋板間的面內(nèi)和非面內(nèi)連接結(jié)構(gòu)進行設計。

1.2.2 面內(nèi)及非面內(nèi)連接結(jié)構(gòu)

根據(jù)船體焊接工藝規(guī)范并參考其他相關領域研究成果，設計面內(nèi)和非面內(nèi)連接型式及主要尺寸參數(shù)，匯總于表3和表4。

表3 面內(nèi)連接結(jié)構(gòu)設計方案

表4 非面內(nèi)連接結(jié)構(gòu)設計方案

續(xù)表3

由表3和表4可見，所確定的連接型式涵蓋了面內(nèi)與非面內(nèi)（L型、T型）連接、夾層板-加筋板與夾層板-夾層板連接，其連接方式主要是焊接。

2 上層建筑替代設計

2.1 夾層板及連接結(jié)構(gòu)參數(shù)設計

該上層建筑01前端壁板厚為10 mm，02前端壁板厚為8 mm，03～05端壁板厚均為7 mm，前端壁扶強材結(jié)構(gòu)尺寸為125 mm×75 mm×7 mm，如圖3所示。01～05前端壁（含加筋）結(jié)構(gòu)質(zhì)量分別為10916 kg、6282 kg、5910 kg、5832 kg和 3581 kg。

圖3 上層建筑前端壁

在利用鋁質(zhì)夾層板對前端壁結(jié)構(gòu)進行替代設計時，以最小質(zhì)量原則進行結(jié)構(gòu)初步設計。由于夾層板單元結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)較多，滿足結(jié)構(gòu)質(zhì)量要求的初步設計尺寸組合方案很多。因此，本文以鋁質(zhì)夾層板的高度進行系列分類，分別選取夾層板高度為100 mm、80 mm、60 mm三個系列；上、下面板及夾芯厚度不小于3 mm，板厚為連續(xù)變量（0.5 mm連續(xù)）；夾芯單元短邊寬度a的取值范圍為40～50 mm，每隔5 mm取一種結(jié)構(gòu)形式，a+b= 200 mm，保證面板板格寬度與面板夾角范圍在50°～70°。根據(jù)以上限制條件確定出滿足要求的夾層板結(jié)構(gòu)尺寸初步設計方案，見表5。

表5 鋁質(zhì)夾層板初步設計方案

Uc_100、Uc_80、Uc_60這三個夾層板設計方案中，A系列用于替換01、02前端壁，B系列用于替換03-05前端壁。根據(jù)夾層板初步設計方案和實際制造工藝，對連接結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)進行設計，如表6所示。

表6 連接結(jié)構(gòu)設計方案mm

相比于傳統(tǒng)上層建筑前端壁結(jié)構(gòu)，采用這三種Uc型鋁質(zhì)夾層板進行替代設計后，前端壁結(jié)構(gòu)分別減重29.3%、32.5%、35.6%；相比于傳統(tǒng)上層建筑整體結(jié)構(gòu)，三種鋁質(zhì)夾層板分別減重2.1%、2.3%、2.5%。該上層建筑結(jié)構(gòu)為縱骨架式結(jié)構(gòu)，為保持上層建筑強度、剛度特性一致，夾層板上層建筑各前端壁中鋁質(zhì)夾層板布置方向為縱向布置。

2.2 上層建筑結(jié)構(gòu)強度有限元分析

2.2.1 有限元模型

利用有限元分析軟件ABAQUS建立有限元模型，甲板板、四周圍壁板以及強橫梁、縱桁、強扶墻材的腹板等均采用shell單元模擬，單元類型為S4R。鋼材材料選取Q235A鋼，彈性模量取E= 210 GPa，泊松比μ= 0.32；鋁合金材料彈性模量取E= 63.82 GPa，泊松比均 。靜載荷作用在該上層建筑01～05前端壁外壁上，因此在劃分網(wǎng)格時對前端壁結(jié)構(gòu)進行網(wǎng)格細化，網(wǎng)格尺寸取50 mm，上層建筑其他結(jié)構(gòu)網(wǎng)格尺寸取200 mm，根據(jù)上層建筑舾裝特點，在計算時對上層建筑底部進行四周剛性固定約束，有限元模型如圖4所示。

圖4 有限元模型

針對應用于船體上層建筑前端壁的加筋板及夾層板，根據(jù)CCS“海規(guī)”要求，上層建筑端壁結(jié)構(gòu)強度計算載荷F=ρgh，載荷施加于前端壁外壁面板上。計算壓頭h=αδ（βλ-γ） ，且hmin= 0.005L+ 1.25，計算壓頭數(shù)值參見下頁表7。

經(jīng)計算hmin= 2.35 m，而從表7中可見，01～05前端壁的計算壓頭h值均不滿足最小值要求。因此，選取計算壓頭hmin，則計算載荷F= 23.5 kPa。

本項目對前端壁結(jié)構(gòu)進行網(wǎng)格細化。因此，計算載荷23.5 kPa下，前端壁結(jié)構(gòu)的許用應力計算公

表7 上層建筑前端壁壓頭計算

式見式（3）：

式中：K為材料系數(shù)；λy為安全因子，對于端壁結(jié)構(gòu)，λy= 0.8。對于Q235鋼而言，材料系數(shù)K= 1。因此傳統(tǒng)端壁結(jié)構(gòu)的許用應力［σ］= 285.6 MPa。

本文所選取的鋁質(zhì)夾層板，材料系數(shù)K計算公式見式（4）：

式中：σp0.2指非比例伸長應力，經(jīng)試驗測算得σp0.2= 175 MPa，則K=1.343。因此，該上層建筑鋁質(zhì)前端壁結(jié)構(gòu)的許用應力［σ］= 0.8×357/1.343= 212.7 MPa。

2.2.2 計算結(jié)果及分析

傳統(tǒng)上層建筑和鋁質(zhì)夾層上層建筑前端壁結(jié)構(gòu)應力變形情況如圖5-圖8所示。

由圖5-圖8可以看出，在靜載荷作用下，傳統(tǒng)上層建筑結(jié)構(gòu)變形主要集中在04～05前端壁上，最大變形出現(xiàn)在04前端壁上；Uc_100和Uc_80夾層板上層建筑結(jié)構(gòu)變形主要發(fā)生在05前端壁處，Uc_60上層建筑變形主要發(fā)生在01前端壁處，這是因為Uc_60夾層板減重程度較大，01前端壁作為底層結(jié)構(gòu)，受上層結(jié)構(gòu)作用，從而產(chǎn)生更大變形；應力分布較為平均，最大應力位于04～05前端壁處，這是因為高層端壁結(jié)構(gòu)上連接構(gòu)件連接形式復雜，結(jié)構(gòu)分布不均勻，因而容易造成應力集中現(xiàn)象。

圖6 Uc_100型上層建筑不同區(qū)域結(jié)構(gòu)響應情況

圖8 Uc_60型上層建筑不同區(qū)域結(jié)構(gòu)響應情況

傳統(tǒng)上層建筑和夾層板上層建筑結(jié)構(gòu)各層端壁最大應力及變形情況匯總于表8。

表8 計算結(jié)果匯總表

從表8中可以看出，在23.5 kPa均布靜態(tài)載荷作用下，傳統(tǒng)上層建筑前端壁結(jié)構(gòu)最大變形為17.1 mm，Uc_100、Uc_80、Uc_60型三種鋁質(zhì)夾層板前端壁變形最大值分別為8.6 mm、11.7 mm、21.5 mm；Uc_100和Uc_80型鋁質(zhì)夾層板上層建筑前端壁結(jié)構(gòu)最大應力分別為114.7 MPa和164.4 MPa，均未超過許用應力212.7 MPa。Uc_60型鋁質(zhì)夾層板前端壁結(jié)構(gòu)中只有05前端壁結(jié)構(gòu)超過許用應力；傳統(tǒng)上層建筑前端壁結(jié)構(gòu)最大應力244 MPa，未超過許用應力285.6 MPa。因此，為比較分析出力學性能最優(yōu)的結(jié)構(gòu)，參考式（1）和式（2），結(jié)合表8中結(jié)構(gòu)變形和應力情況，取權重系數(shù)α= 0.3，β= 0.4，γ= 0.3 。計算傳統(tǒng)上層建筑和三種鋁質(zhì)上建在質(zhì)量、應力、變形因素影響下前端壁結(jié)構(gòu)的多目標函數(shù)值，參見表9。

從表9中可以看出，Uc_100型鋁質(zhì)夾層板上層建筑中，01、03、04和05這四種前端壁的多目標函數(shù)均為最小值，且02前端壁目標函數(shù)值也僅僅略大于最小值。而目標函數(shù)越小，則證明在靜載荷作用下的力學性能越好。因此，Uc_100型鋁質(zhì)夾層板上層建筑力學性能不僅優(yōu)于傳統(tǒng)加筋結(jié)構(gòu)，還優(yōu)于其他兩種鋁質(zhì)上層建筑結(jié)構(gòu)。這說明利用Uc_100型鋁質(zhì)夾層板替代傳統(tǒng)上層建筑結(jié)構(gòu)能夠較好的滿足結(jié)構(gòu)在常規(guī)強度的要求，實現(xiàn)上層建筑的輕量化設計。

表9 傳統(tǒng)前端壁和鋁質(zhì)夾層板前端壁結(jié)構(gòu)的目標函數(shù)

3 結(jié) 語

本文根據(jù)某常規(guī)船上層建筑結(jié)構(gòu)特點，對鋁質(zhì)夾層板結(jié)構(gòu)型式和連接結(jié)構(gòu)類型進行選擇，根據(jù)最小質(zhì)量原則對該上層建筑前端壁結(jié)構(gòu)進行輕量化替代設計，并利用有限元軟件進行靜強度分析，主要結(jié)論如下：

（1）在鋁質(zhì)夾層板常規(guī)結(jié)構(gòu)型式中，相比于I型、V型和U型夾層板，Uc型鋁質(zhì)夾層板具有更優(yōu)的靜力學性能；

（2）在鋁質(zhì)夾層板結(jié)構(gòu)替代設計過程中，本文針對上層建筑結(jié)構(gòu)特點，對連接結(jié)構(gòu)型式進行設計，可為工程應用提供參考；

（3）基于三種Uc型夾層板開展上層建筑結(jié)構(gòu)輕量化設計，得到初步設計方案，并對設計方案開展力學性能分析，基于計算結(jié)果建立多目標函數(shù)進行分析，證明鋁質(zhì)夾層板上層建筑可以有效減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量并提高結(jié)構(gòu)強度。