朱云翔

(海軍駐上海地區(qū)艦艇設(shè)計研究軍事代表室，上海200011)

船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計主要是在滿足總體設(shè)計要求下，綜合考慮安全性、適用性、整體性、工藝性和經(jīng)濟(jì)性等因素，解決船體結(jié)構(gòu)形式、構(gòu)件尺度與連接等設(shè)計問題，保證船體具有恰當(dāng)?shù)膹姸群土己玫募夹g(shù)經(jīng)濟(jì)性能［1］。船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計主要有確定性設(shè)計方法和結(jié)構(gòu)可靠性分析法兩大類。目前完全基于概率論的結(jié)構(gòu)可靠性全概率的精確分析方法還存在諸多難點，因此確定性設(shè)計法是常規(guī)設(shè)計中所采用的主流方法。雖然在大型或非常規(guī)船型的船體結(jié)構(gòu)設(shè)計中直接計算法已經(jīng)越來越多用來輔助設(shè)計，但是方便快捷、高效率的規(guī)范設(shè)計法仍然被廣泛采用。總體設(shè)計總是希望船體結(jié)構(gòu)盡可能輕。其中，上層建筑設(shè)計的強弱對船總體承載能力不起決定性作用，但對船體結(jié)構(gòu)總重量和重心高度影響很大。而船舶上層建筑布局變化多端，且在結(jié)構(gòu)連續(xù)性方面情況十分復(fù)雜，所以在上層建筑設(shè)計時，究竟選擇強力結(jié)構(gòu)還是輕型結(jié)構(gòu)，還需具體分析探討。

某型具有典型長上層建筑結(jié)構(gòu)船舶，其主船體有三道連續(xù)甲板，前后貫通的長艏樓(01甲板)為強力甲板，02甲板(長度約為船長的53%)及以上甲板是兩舷不到舷邊的甲板室。為了減輕船體重量和降低船體重心的高度，在船中區(qū)域02甲板下設(shè)了三道橫向過道分?jǐn)嘣搶娱L甲板室，使02甲板下的甲板室在船中區(qū)域長度不超過0.15倍船長，而02甲板縱向連續(xù)設(shè)置，其在過道頂部分當(dāng)做彈性節(jié)頭，因此，01甲板以上都按照CCS《鋼質(zhì)海船入級與建造規(guī)范》輕型上層建筑結(jié)構(gòu)要求進(jìn)行常規(guī)結(jié)構(gòu)設(shè)計。該船在一次1萬多n mile航程的連續(xù)航行期間，遭遇十多次大風(fēng)浪(最高11級陣風(fēng))，返港后檢查發(fā)現(xiàn)上層建筑結(jié)構(gòu)有8處裂紋，均出現(xiàn)在橫向過道區(qū)域。分析其原因主要有兩方面:一是長上層建筑未按照強力上層建筑設(shè)計，而整個02甲板縱向骨架都連續(xù)，其受總縱彎曲影響而平均應(yīng)力水平較高(平均應(yīng)力水平約120 MPa，高于01甲板應(yīng)力水平);二是甲板室之間的連接結(jié)構(gòu)設(shè)計不當(dāng)，橫向過道頂?shù)目v向構(gòu)件(短縱桁)與其前后甲板室頂縱向構(gòu)件對齊，但短縱桁趾端未做軟化處理(見圖1)，應(yīng)力集中情況較嚴(yán)重。產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中(單元合成應(yīng)力最大達(dá)到342 MPa)。

圖1 過道頂短縱桁結(jié)構(gòu)

為了解類似這樣不完全分?jǐn)嗟拈L甲板室對縱強度的影響，本文對若干船舶上層建筑的結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析。

1 長上層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計分析

對上述船建立整體三維有限元模型見圖2，其縱向范圍約為75%船長，包含了該區(qū)域內(nèi)主船體和上層建筑所有主要船體結(jié)構(gòu)，網(wǎng)格沿船殼橫向按縱骨間距(650 mm左右)或類似的間距劃分。通過該模型得出各甲板的總體平均應(yīng)力水平，同時也可以為局部的細(xì)網(wǎng)格有限元強度分析提供準(zhǔn)確的邊界條件。

圖2 整體有限元模型

計算得到01甲板最弱剖面的平均正應(yīng)力約為106 MPa，其正應(yīng)力分布云圖見圖3。

圖3 01甲板應(yīng)力云圖

02甲板最弱剖面的平均正應(yīng)力約為120 MPa，其正應(yīng)力分布云圖見圖4。

圖4 02甲板應(yīng)力云圖

由此可見，02甲板應(yīng)力水平比作為強力甲板設(shè)計的01甲板高，其相當(dāng)程度地參與總強度。按式(1)分析其參與總強度的程度。

式中:η——上層建筑參與船體總縱彎曲的有效程度;

σ0——不考慮上層建筑時強力甲板的應(yīng)力，MPa;

σp——強力甲板的實際計算應(yīng)力，MPa;

σ100——上層建筑100%有效時的強力甲板應(yīng)力，MPa。

從圖2的整體有限元模型中去除01甲板以上上層建筑結(jié)構(gòu)后，計算得到01甲板最弱剖面的平均正應(yīng)力約為129 MPa，其正應(yīng)力分布云圖見圖5。

圖5 不考慮上層建筑時01甲板應(yīng)力

該計算結(jié)果與采用規(guī)范的彎和船體梁剖面模數(shù)計算的結(jié)果是一致的。將圖2的整體有限元模型中02甲板下的外圍壁在橫向過道處相連，計算得到02甲板完全參與總縱強度后01甲板最弱剖面的平均正應(yīng)力約為66 MPa，其正應(yīng)力分布云圖見圖6。

圖6 02甲板完全參與總強度時01甲板應(yīng)力

因此，可以計算得到01甲板以上上層建筑參與總縱彎曲的有效程度約為36%。

若考慮01甲板以上上層建筑有效分?jǐn)?，既將三個橫向過道頂部的02甲板分?jǐn)?或設(shè)計為符合規(guī)范要求的伸縮接頭)，可計算得到01甲板最弱剖面的平均正應(yīng)力約為120 MPa，其正應(yīng)力分布云圖見圖7，主船體變形圖見圖8。

圖7 02甲板分?jǐn)鄷r01甲板應(yīng)力

圖8 02甲板分?jǐn)鄷r主船體變形

可見，雖然01甲板以上甲板室被橫向過道分?jǐn)啵蠈咏ㄖ偲拭婺?shù)貢獻(xiàn)有限，但由于02甲板的連續(xù)，總縱彎曲最大應(yīng)力位置由01甲板上移到了02甲板。因此，02甲板的結(jié)構(gòu)設(shè)計需要謹(jǐn)慎對待，特別要注意結(jié)構(gòu)的連續(xù)性。該船上層建筑出現(xiàn)的8處結(jié)構(gòu)裂紋正好都出現(xiàn)在橫向過道頂部區(qū)域的02甲板構(gòu)件。對3個橫向過道區(qū)域的有限元模型進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，細(xì)網(wǎng)格有限元模型(見圖9)的單元大小約為50 mm×50 mm，計算得到圖1所示的橫向過道頂部短縱桁端部單元中心合成應(yīng)力約為342 MPa(許用應(yīng)力為352.5 MPa)。

圖9 局部細(xì)化網(wǎng)格模型

為了進(jìn)一步分析研究，對6型具有長度超過0.15倍船長的上層建筑且按輕型結(jié)構(gòu)設(shè)計的船體結(jié)構(gòu)設(shè)計情況進(jìn)行了分析，并選擇其中的3型船進(jìn)行有限元分析。圖10為船型1的有限元模型，其02甲板按強力甲板設(shè)計，03甲板下甲板室長約為0.50倍船長，采用橫骨架式輕型結(jié)構(gòu)。計算結(jié)果，其01甲板、02甲板和03甲板平均應(yīng)力水平分別約為96、154和76 MPa，符合主船體與上層建筑的應(yīng)力分布規(guī)律，03甲板開口角隅細(xì)網(wǎng)格計算的合成應(yīng)力約為211 MPa。

圖10 船型1有限元模型

圖11 為船型2有限元模型，其01甲板為強力甲板，02甲板和03甲板下甲板室長分別約為0.72倍和0.41倍船長，采用橫骨架式輕型結(jié)構(gòu)，分別設(shè)有一道和兩道橫向過道結(jié)構(gòu)。計算結(jié)果為02甲板84 MPa，02甲板寬度縮小，過度處細(xì)網(wǎng)格計算的合成應(yīng)力約為150 MPa。

圖11 船型2有限元模型

圖12 為船型3有限元模型，其01甲板為強力甲板，02甲板下有3個圍壁獨立的甲板室，長度分別達(dá)到0.32或0.20倍船長，之間走道相隔，甲板相連，且在甲板寬度上有階梯形縮進(jìn)。計算結(jié)果為01甲板和02甲板平均應(yīng)力水平分別約為81和99 MPa。

圖12 船型3有限元模型

圖13 所示的02甲板凹陷處細(xì)網(wǎng)格計算的合成應(yīng)力約為367 MPa。

圖13 局部細(xì)化模型

由以上分析可知，長上層建筑若未采取充分有效的措施使其盡可能少地參與總強度，則會產(chǎn)生比主船體強力甲板高的應(yīng)力水平，在此情況下一些結(jié)構(gòu)連續(xù)不佳部位的應(yīng)力集中情況就有可能十分嚴(yán)重，必須予以高度重視。

2 長上層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計要點

一般來說，為了充分利用船體材料，對于在船中區(qū)域長度超過0.15倍船長，且不小于本身高度6倍的長上層建筑，宜設(shè)計為強力上層建筑。如強力上層建筑參與總縱強度程度較高，則可將其作為船體梁上翼板——強力甲板設(shè)計。橋樓式(甲板延伸至兩舷)長上層建筑必須設(shè)計為強力結(jié)構(gòu)。

強力上層建筑，除滿足局部強度外，還需要滿足總縱強度要求，其甲板和側(cè)壁骨架形式應(yīng)盡可能采用縱骨架式，所有縱向構(gòu)件應(yīng)盡可能保持連續(xù)，側(cè)壁與下方甲板縱壁或外板不重合時，應(yīng)在下方甲板對應(yīng)設(shè)置縱向桁材。強力上層建筑應(yīng)具有適當(dāng)?shù)膭偠仁怪芘c主船體保持有效的同向彎曲，其設(shè)計應(yīng)重點關(guān)注參與總縱強度的有效度問題和連接與過渡部位的應(yīng)力集中問題，并據(jù)此合理優(yōu)化主船體與強力上層建筑的材料分配［2］。

可采用梁理論與有限元方法進(jìn)行上層建筑有效度計算，并校核主船體與強力上層建筑的彎曲應(yīng)力水平。強力上層建筑的總強度應(yīng)力衡準(zhǔn)和穩(wěn)定性要求應(yīng)與主船體一致。在設(shè)計早期階段，上層建筑參與總縱強度有效程度可參考與總體布局形式相近的母型船或按式(2)進(jìn)行估算，進(jìn)而通過式(3)估計上層建筑的平均應(yīng)力水平。

式中:ηx——上層建筑平均應(yīng)力有效度系數(shù);

l——上層建筑長度，m;

x——計算剖面距上層建筑端部距離，m。

其中:k——包含上層建筑的船體結(jié)構(gòu)剛度系數(shù);

F，f——計算剖面處主船體和上層建筑的縱向有效構(gòu)件總面積，cm2;

I0，i0——計算剖面處主船體和上層建筑的自身面積慣性矩，cm2·m2;

i1——上層建筑對主船體中和軸面積慣性矩，cm2·m2。

為了控制重量或重心高度，長上層建筑可以采用伸縮接頭等形式進(jìn)行分割，從而設(shè)計成輕型上層建筑結(jié)構(gòu)。如果長上層建筑側(cè)壁下面沒有位置對應(yīng)的甲板下剛性構(gòu)件如縱壁、外板等支承，且支撐在不多于2個剛性構(gòu)件上，其將與主船體產(chǎn)生反向彎曲變形，也可以設(shè)計為輕型結(jié)構(gòu)。當(dāng)上層建筑采用與主船體不同且彈性模數(shù)較低的材料如鋁合金或復(fù)合材料等，可以視作輕型上層建筑。

輕型上層建筑的甲板及側(cè)壁宜采用橫骨架式結(jié)構(gòu)，主要按照局部強度要求進(jìn)行設(shè)計，但也要考慮連接與過渡部位的應(yīng)力集中問題。

采用伸縮接頭分?jǐn)嚅L上層建筑必須保證接頭前后的上層建筑結(jié)構(gòu)之間有足夠的縱向移動間隙。船樓式上層建筑不宜設(shè)置伸縮接頭。伸縮接頭宜設(shè)置在對穿通道內(nèi)，但圖2中分?jǐn)嗌蠈咏ㄖ臋M向過道，其甲板及其縱向構(gòu)件連續(xù)，不能視為有效的伸縮接頭。伸縮接頭距強力甲板大開口角隅一般不宜小于甲板室高度，兩側(cè)壁板及甲板板的伸縮接頭應(yīng)在同一平面內(nèi)，不宜錯位。伸縮接頭以單層設(shè)置為宜。當(dāng)有充分依據(jù)，也可多層設(shè)置伸縮接頭。

應(yīng)根據(jù)被伸縮接頭分隔的各段上層建筑與船體連接情況，分析其是與主船體同向或反向彎曲，對應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)纳炜s接頭類型，具體結(jié)構(gòu)形式可采用波形板式接頭或滑動式接頭［3］。

強力上層建筑前后端壁處在船中0.5L范圍內(nèi)時，應(yīng)盡可能與主船體橫艙壁對齊，否則應(yīng)在下方對應(yīng)設(shè)置強橫梁或支柱等。船樓端部外板應(yīng)延長到端壁以外，當(dāng)延伸長度不受限制時，可采用如圖14所示的橢圓弧，長軸a=1.5h，短軸b=h，此時，應(yīng)力集中系數(shù)不超過1.85;當(dāng)上層建筑高度較大，而弧線長度和高度受到限制時，應(yīng)力集中系數(shù)可按式(4)計算。過渡區(qū)的外板和附近的甲板、舷頂列板應(yīng)作適當(dāng)加強［4］。

圖14 船樓端部外板過渡

船中0.5L范圍內(nèi)的長甲板室端壁與側(cè)壁應(yīng)采用圓弧連接，圓弧半徑可按式(5)計算。當(dāng)不能采用圓弧連接時，應(yīng)采用鉚接或其它減少應(yīng)力集中措施。

式中:R——圓弧半徑，m，且0.5h＜R≤1.4 m;

l——船中0.5L范圍內(nèi)長甲板室的長度，m;

b——甲板室端部寬度，m。

長上層建筑未設(shè)計有效的伸縮接頭，且未按強力上層建筑進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計時，其平均應(yīng)力水平通常較高，橫向?qū)Υ┩ǖ赖炔课灰桩a(chǎn)生較大應(yīng)力集中，因此應(yīng)注意通道前后結(jié)構(gòu)的連續(xù)性。通道側(cè)壁應(yīng)盡可能連續(xù)，否則應(yīng)采用盡量高的縱桁連接，端部圓弧放大。圖1的縱桁端部節(jié)點不可取。

對于布局復(fù)雜的強力上層建筑和未按強力結(jié)構(gòu)設(shè)計的長甲板室，建議采用有限元法進(jìn)行總強度和局部強度分析。可采用包含所關(guān)注的整個長上層建筑的中部艙段有限元模型，長度方向應(yīng)自上層建筑端部向外延伸至附近主橫艙壁，延伸距離不小于2h。進(jìn)行總強度和有效度分析時，建議以普通骨材間距為基本單元尺寸。在此基礎(chǔ)上，對關(guān)鍵節(jié)點部位、有明顯應(yīng)力集中部位或局部高應(yīng)力區(qū)域，應(yīng)進(jìn)行細(xì)化網(wǎng)格有限元分析，細(xì)化網(wǎng)格區(qū)域內(nèi)的單元尺寸應(yīng)為普通骨材間距的1/10，但不大于50 mm×50 mm，也不必小于t×t(t為板材厚度)。細(xì)化網(wǎng)格有限元許用應(yīng)力為1.7σs(不鄰近焊縫處)或1.5σs(鄰近焊縫處)。

3 結(jié)論

經(jīng)驗表明，累積性的結(jié)構(gòu)損傷多數(shù)出現(xiàn)在上層建筑中，而上層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計很大程度受制于總體性能與布置要求，為了獲得更好的使用效能，總體一般希望能采用輕型結(jié)構(gòu)設(shè)計，以有限元為基礎(chǔ)的直接計算法為此提供了有力的手段?？偨Y(jié)前文分析結(jié)果，建議在設(shè)計中注意以下幾點。

1)關(guān)注長上層建筑參與總強度的有效度問題，當(dāng)長上層建筑較大程度參與總強度時，必須按照強力上層建筑設(shè)計。

2)如果長上層建筑按照輕型結(jié)構(gòu)設(shè)計，應(yīng)該采用有效措施使上層建筑不參與總強度。一般應(yīng)采用完全斷開的彈性接頭形式，并且使斷開后的上層建筑長度等滿足輕型上層建筑條件。如果采用其它方式，應(yīng)有足夠的證據(jù)證明其有效性。如果采用不完全斷開的形式，如側(cè)壁間斷的通道布置等，則必須校核上層建筑參與總強度后的應(yīng)力水平，并使其滿足規(guī)范要求。

3)如果長上層建筑按照強力上層建筑設(shè)計，應(yīng)采用有限元法或其它方法進(jìn)行上層建筑有效度計算，并校核其上層建筑彎曲應(yīng)力水平，使其滿足規(guī)范要求。強力上層建筑應(yīng)盡可能采用縱骨架式，所有縱向構(gòu)件應(yīng)盡量保持其連續(xù)性，并注意節(jié)點的良好過渡。

［1］中國船舶工業(yè)總公司.船舶設(shè)計實用手冊結(jié)構(gòu)分冊［S］.北京:國防工業(yè)出版社，2000.

［2］王福花，伍友軍，王德禹.強力上層建筑的有效度極其設(shè)計［J］.中國造船，2006，47(3):22-29.

［3］國家軍用標(biāo)準(zhǔn).艦船通用規(guī)范1組:船體結(jié)構(gòu)［S］.北京:總裝備部軍標(biāo)出版發(fā)行部，2000.

［4］中國船級社.鋼質(zhì)海船入級規(guī)范［S］.北京:人民交通出版社，2012.