張韶華，尚朝陽，張全鋼

（滬東中華造船集團(tuán)（有限）公司，上海 200129）

1 引言

出于艙室劃分的需要，船舶設(shè)計(jì)中需要通過布置輕圍壁的方式，將甲板不同區(qū)域分隔開，以滿足不同的功能需要。這一類輕圍壁不參與船體強(qiáng)度，只要求一定剛性，通常板厚較小，在裝配、焊接、吊裝和運(yùn)輸?shù)冗^程中極易產(chǎn)生變形，從而影響美觀度和裝配精度。近年來，客戶對(duì)于船舶的建造質(zhì)量和精度要求越來越高，生產(chǎn)周期也不斷縮短。在船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，槽型艙壁由于其自身具有的重量輕、變形小、施工難度低等優(yōu)點(diǎn)，被用于替代傳統(tǒng)的帶筋平面圍壁，槽型艙壁在船舶領(lǐng)域的應(yīng)用問題，得到了越來越多學(xué)者的關(guān)注。

吳建祥等研究了鉆井平臺(tái)平面艙壁改為槽型艙壁問題，并進(jìn)行了有限元計(jì)算，結(jié)果證明槽型艙壁滿足強(qiáng)度及生產(chǎn)需要[1]。黃磊和楊平通過ANSYS 軟件研究了槽型艙壁的各種要素對(duì)槽型艙壁極限承載力的影響[2]。郭勤靜等則通過有限元分析，對(duì)不同槽型艙壁端部節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了優(yōu)選[3]。李平書和吳嘉蒙根據(jù)CSR 規(guī)范，得出了一種槽型艙壁描述性強(qiáng)度的計(jì)算方法，并基于彎曲強(qiáng)度提出了多目標(biāo)優(yōu)化算法[4]。劉盈漢等研究了槽型艙壁制作與運(yùn)輸過程中的精度不足和變形的問題，并給出了相應(yīng)對(duì)策[5]。以上學(xué)者的研究多集中于槽型艙壁的強(qiáng)度分析，在實(shí)際應(yīng)用中考慮需要更加全面，例如在輕圍壁設(shè)計(jì)中，強(qiáng)度并不是關(guān)鍵因素。本文以某型船輕圍壁設(shè)計(jì)中的槽型艙壁應(yīng)用為對(duì)象，通過強(qiáng)度計(jì)算、布置及節(jié)點(diǎn)優(yōu)化等方面對(duì)于槽型艙壁的設(shè)計(jì)應(yīng)用進(jìn)行了研究，對(duì)于槽型艙壁在船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用有一定的參考價(jià)值。

2 槽型壁概況

槽型艙壁是由平面板壓制或焊接而成，剖面形狀有三角形、矩形、梯形等，在船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中通常采用槽型艙壁來替代平面艙壁，具有減重、減少焊接、便于清艙等方面的優(yōu)點(diǎn)。

在船舶設(shè)計(jì)中，輕圍壁板厚一般較小，在焊接、裝配、運(yùn)輸?shù)冗^程容易產(chǎn)生變形，使用壓制的槽型艙壁替代可以有效減少焊接工作量和變形，同時(shí)可以減輕結(jié)構(gòu)重量。

2.1 減少焊接工作量及焊接變形

由于槽型艙壁以其壁上的曲折來代替平面艙壁上扶強(qiáng)材的作用，因此減少了扶強(qiáng)材、肘板等的焊接工作量。當(dāng)平面板與扶強(qiáng)材裝焊時(shí)會(huì)產(chǎn)生焊接變形，而槽型艙壁自身以冷加工曲折代替扶強(qiáng)材的作用，因此槽型艙壁可以減少裝焊扶強(qiáng)材產(chǎn)生的變形；其次槽型艙壁之間平對(duì)接時(shí)，對(duì)接焊縫焊接變形也小于普通輕圍壁對(duì)接；最后，運(yùn)輸和吊裝過程中的受力，也會(huì)使輕圍壁發(fā)生形變，槽形壁的抗變形效果則較好，所以使用槽型艙壁可以有效提高輕圍壁的成形質(zhì)量。

圖1 輕圍壁變形

2.2 減輕結(jié)構(gòu)重量

合理選取槽型尺寸及間距，在滿足強(qiáng)度要求的情況下可以減輕槽型艙壁結(jié)構(gòu)重量，且不需要扶強(qiáng)材加強(qiáng)，減少了扶強(qiáng)材與焊接重量。在層高2.4m，長(zhǎng)度9m 的條件下，對(duì)兩種類型圍壁進(jìn)行的重量進(jìn)行比較，如表一所示，采用槽型艙壁替代后結(jié)構(gòu)重量可以降低18.6% 。

表1 兩種類型圍壁重量分項(xiàng)比較

3 強(qiáng)度與剛性計(jì)算

輕圍壁僅用于分隔內(nèi)部艙室，不承受水壓，不參與船體的強(qiáng)度，但具有一定的剛度要求。故只對(duì)應(yīng)用的槽型艙壁剖面模數(shù)、慣性矩與原設(shè)計(jì)帶筋平面圍壁進(jìn)行比較，艙壁具體外形如圖2 所示。由于平面圍壁帶板寬度取肋骨間距500mm，槽型艙壁槽間距為300m，所以取1500mm 一段圍壁進(jìn)行校核，具體的其他參數(shù)不再贅述。最小剖面模數(shù)的計(jì)算公式如下：

圖2 槽型艙壁及平面圍壁外形

式中：W 為剖面模數(shù)，I 為慣性矩，d 為距中和軸的距離。

3.1 計(jì)算方法

使用CAD2015 軟件，繪制艙壁外形，使用多段線命令繪制封閉曲線，使用REGION 命令生成面域，再使用MASSPROP 命令獲取質(zhì)心坐標(biāo)，再使用PO 命令定位，將坐標(biāo)原點(diǎn)移至質(zhì)心位置；再次使用MASSPROP 命令獲取質(zhì)心、慣性矩等數(shù)據(jù)。量取最遠(yuǎn)端距中和軸（與形心軸重合）距離，再根據(jù)公式計(jì)算最小剖面模數(shù)。

3.2 結(jié)果分析

通過對(duì)比圖2 和圖3 中的慣性矩I，可知槽型艙壁的慣性矩大于帶筋圍壁，滿足剛性要求；再根據(jù)圖中數(shù)據(jù)采用公式（1）計(jì)算最小剖面模數(shù)W（結(jié)果見表2），可知槽型最小剖面模數(shù)大于帶筋圍壁，強(qiáng)度也可以滿足要求。但對(duì)比圖3 和圖4 中慣性矩的數(shù)據(jù)可知，平行于圍壁方向的槽型艙壁慣性矩偏小，因此在對(duì)艙壁有強(qiáng)度要求的情況下，槽型艙壁應(yīng)盡量布置于肋位方向，在縱向可以使槽型水平布置或者做相應(yīng)加強(qiáng)處理。

表2 兩種圍壁剖面模數(shù)

圖3 槽形艙壁慣性矩計(jì)算

圖4 平面圍壁慣性矩計(jì)算

4 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

槽型艙壁由于其特有的形狀，與甲板、艙壁等其他構(gòu)架進(jìn)行連接時(shí)應(yīng)考慮連接的節(jié)點(diǎn)型式，以滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，避免在實(shí)際施工后出現(xiàn)問題。

4.1 圍檻及封板設(shè)計(jì)

如圖5 所示，出于強(qiáng)度和抗腐蝕等方面的要求，槽型艙壁不能與甲板直接進(jìn)行裝焊，需要在槽形艙壁上下端設(shè)置鋼制圍檻板，高度范圍在200～300mm，由于特殊要求高度超過肋距時(shí)，應(yīng)增加扶強(qiáng)材，以保證艙壁強(qiáng)度。此外，圍檻還可以滿足輕圍壁上風(fēng)管、電氣、管裝等專業(yè)開孔需要，穿艙情況見圖6。為保證槽型與圍檻對(duì)接，鋼制圍檻板與槽型板之間應(yīng)設(shè)置偏裝面板，面板端頭修割光順，修割型式如圖7 所示。當(dāng)槽型艙壁上端存在平直T 型材時(shí)，可以代替鋼制圍檻，但面板應(yīng)加寬以適應(yīng)槽形壁寬度；若T 型帶有弧度，則仍需設(shè)置圍檻過渡；當(dāng)縱桁、縱骨或橫梁穿過，需要增加切口和水密補(bǔ)板保證密性。

圖5 槽型艙壁

圖6 槽型艙壁穿艙三維圖

圖7 面板修割型式

4.2 對(duì)接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

當(dāng)槽型艙壁與平面圍壁平對(duì)接時(shí)，需保證槽型在水平段對(duì)接，上下端圍檻面板按圖7 中要求修割，在平面圍壁上距對(duì)接縫100mm 處設(shè)置扶強(qiáng)材；槽型艙壁之間平對(duì)接，除保證槽型水平段對(duì)接應(yīng)盡量保證槽型間距，鋼圍檻面板平對(duì)接，終止端按圖7 修割光順。

槽型艙壁需要角對(duì)接情況下，一般可以設(shè)置支柱、1/4 轉(zhuǎn)圓板來過渡角接型式，圍壁、圍檻和面板按上述要求作端部處理。若槽型艙壁需要直接與平面圍壁角對(duì)接，應(yīng)采取槽型艙壁撞平面圍壁，槽型艙壁端部應(yīng)為槽型板平直段，平面圍壁端部伸出，面板按圖7 所示修割；若平面圍壁必須終止于槽型艙壁，則應(yīng)終止于平直段，且應(yīng)參照偏裝T 型材貫穿節(jié)點(diǎn)作相應(yīng)處理；當(dāng)槽型艙壁之間角對(duì)接時(shí)，保證上下端圍檻高度一致，終止于槽型艙壁平直段。

5 布置及優(yōu)化

槽型艙壁的設(shè)置應(yīng)充分考慮到艙室劃分、設(shè)備安裝布置以及密性影響等；其次，出于實(shí)用性和美觀性的需求，應(yīng)考慮槽形艙壁自身長(zhǎng)度、槽型朝向以及甲板線型的影響。

5.1 設(shè)備布置影響

由于部分設(shè)備對(duì)安裝基面的要求較高，且對(duì)于穿艙管件、電纜開孔，槽型艙壁因自身形狀不易密封，因此在布置槽型艙壁時(shí)，應(yīng)盡量用于設(shè)備較少、密性要求不高的艙室；其次，選用槽型艙壁替代平面圍壁時(shí)，槽型艙壁長(zhǎng)度應(yīng)至少大于1 張整板，但長(zhǎng)度過長(zhǎng)時(shí)應(yīng)在槽形艙壁之間設(shè)置支柱加強(qiáng)；若所在艙室為潮濕艙室，鋼制圍檻應(yīng)根據(jù)規(guī)范相應(yīng)加厚和提高，若超出上節(jié)中要求，則作相應(yīng)加強(qiáng)。

5.2 線型影響

船體甲板因線型原因，可能帶有昂勢(shì)和拋勢(shì)，導(dǎo)致同一艙室船長(zhǎng)和船寬方向角接的槽型艙壁高度不一致，此時(shí)應(yīng)調(diào)節(jié)鋼圍檻高度，保證槽型板上下端高度一致，保證艙室圍壁整齊美觀。其次，槽型艙壁的槽形方向應(yīng)背離通道，朝向艙室內(nèi)部，保證通道的寬度和美觀度。

6 結(jié)論

從以上論述中，可以看出槽型艙壁也存在一些不足，例如設(shè)備較多的工作艙室不宜采用槽型艙壁，而且風(fēng)管、電纜和管子穿艙情況下可能會(huì)對(duì)槽型艙壁密性造成影響。但在本型船輕圍壁設(shè)計(jì)過程中，經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)克服了以上不利影響，采用槽形艙壁代替普通平面圍壁，在減少焊接工作量、控制變形等方面取得了較好效果；且由于使用槽型艙壁減輕了船體的結(jié)構(gòu)重量，為船舶后續(xù)設(shè)計(jì)和升級(jí)提供了良好基礎(chǔ)?；谝陨线@些優(yōu)點(diǎn)，槽型艙壁在船體輕圍壁設(shè)計(jì)中的應(yīng)用將具有較好的發(fā)展前景。