长上层建筑结构设计有关问题的探讨

朱云翔

(海军驻上海地区舰艇设计研究军事代表室，上海200011)

船舶结构设计主要是在满足总体设计要求下，综合考虑安全性、适用性、整体性、工艺性和经济性等因素，解决船体结构形式、构件尺度与连接等设计问题，保证船体具有恰当的强度和良好的技术经济性能［1］。船舶结构设计主要有确定性设计方法和结构可靠性分析法两大类。目前完全基于概率论的结构可靠性全概率的精确分析方法还存在诸多难点，因此确定性设计法是常规设计中所采用的主流方法。虽然在大型或非常规船型的船体结构设计中直接计算法已经越来越多用来辅助设计，但是方便快捷、高效率的规范设计法仍然被广泛采用。总体设计总是希望船体结构尽可能轻。其中，上层建筑设计的强弱对船总体承载能力不起决定性作用，但对船体结构总重量和重心高度影响很大。而船舶上层建筑布局变化多端，且在结构连续性方面情况十分复杂，所以在上层建筑设计时，究竟选择强力结构还是轻型结构，还需具体分析探讨。

某型具有典型长上层建筑结构船舶，其主船体有三道连续甲板，前后贯通的长艏楼(01甲板)为强力甲板，02甲板(长度约为船长的53%)及以上甲板是两舷不到舷边的甲板室。为了减轻船体重量和降低船体重心的高度，在船中区域02甲板下设了三道横向过道分断该层长甲板室，使02甲板下的甲板室在船中区域长度不超过0.15倍船长，而02甲板纵向连续设置，其在过道顶部分当做弹性节头，因此，01甲板以上都按照CCS《钢质海船入级与建造规范》轻型上层建筑结构要求进行常规结构设计。该船在一次1万多n mile航程的连续航行期间，遭遇十多次大风浪(最高11级阵风)，返港后检查发现上层建筑结构有8处裂纹，均出现在横向过道区域。分析其原因主要有两方面:一是长上层建筑未按照强力上层建筑设计，而整个02甲板纵向骨架都连续，其受总纵弯曲影响而平均应力水平较高(平均应力水平约120 MPa，高于01甲板应力水平);二是甲板室之间的连接结构设计不当，横向过道顶的纵向构件(短纵桁)与其前后甲板室顶纵向构件对齐，但短纵桁趾端未做软化处理(见图1)，应力集中情况较严重。产生较大的应力集中(单元合成应力最大达到342 MPa)。

图1 过道顶短纵桁结构

为了解类似这样不完全分断的长甲板室对纵强度的影响，本文对若干船舶上层建筑的结构进行有限元分析。

1 长上层建筑结构设计分析

对上述船建立整体三维有限元模型见图2，其纵向范围约为75%船长，包含了该区域内主船体和上层建筑所有主要船体结构，网格沿船壳横向按纵骨间距(650 mm左右)或类似的间距划分。通过该模型得出各甲板的总体平均应力水平，同时也可以为局部的细网格有限元强度分析提供准确的边界条件。

图2 整体有限元模型

计算得到01甲板最弱剖面的平均正应力约为106 MPa，其正应力分布云图见图3。

图3 01甲板应力云图

02甲板最弱剖面的平均正应力约为120 MPa，其正应力分布云图见图4。

图4 02甲板应力云图

由此可见，02甲板应力水平比作为强力甲板设计的01甲板高，其相当程度地参与总强度。按式(1)分析其参与总强度的程度。

式中:η——上层建筑参与船体总纵弯曲的有效程度;

σ0——不考虑上层建筑时强力甲板的应力，MPa;

σp——强力甲板的实际计算应力，MPa;

σ100——上层建筑100%有效时的强力甲板应力，MPa。

从图2的整体有限元模型中去除01甲板以上上层建筑结构后，计算得到01甲板最弱剖面的平均正应力约为129 MPa，其正应力分布云图见图5。

图5 不考虑上层建筑时01甲板应力

该计算结果与采用规范的弯和船体梁剖面模数计算的结果是一致的。将图2的整体有限元模型中02甲板下的外围壁在横向过道处相连，计算得到02甲板完全参与总纵强度后01甲板最弱剖面的平均正应力约为66 MPa，其正应力分布云图见图6。

图6 02甲板完全参与总强度时01甲板应力

因此，可以计算得到01甲板以上上层建筑参与总纵弯曲的有效程度约为36%。

若考虑01甲板以上上层建筑有效分断，既将三个横向过道顶部的02甲板分断(或设计为符合规范要求的伸缩接头)，可计算得到01甲板最弱剖面的平均正应力约为120 MPa，其正应力分布云图见图7，主船体变形图见图8。

图7 02甲板分断时01甲板应力

图8 02甲板分断时主船体变形

可见，虽然01甲板以上甲板室被横向过道分断，上层建筑对总剖面模数贡献有限，但由于02甲板的连续，总纵弯曲最大应力位置由01甲板上移到了02甲板。因此，02甲板的结构设计需要谨慎对待，特别要注意结构的连续性。该船上层建筑出现的8处结构裂纹正好都出现在横向过道顶部区域的02甲板构件。对3个横向过道区域的有限元模型进行网格细化，细网格有限元模型(见图9)的单元大小约为50 mm×50 mm，计算得到图1所示的横向过道顶部短纵桁端部单元中心合成应力约为342 MPa(许用应力为352.5 MPa)。

图9 局部细化网格模型

为了进一步分析研究，对6型具有长度超过0.15倍船长的上层建筑且按轻型结构设计的船体结构设计情况进行了分析，并选择其中的3型船进行有限元分析。图10为船型1的有限元模型，其02甲板按强力甲板设计，03甲板下甲板室长约为0.50倍船长，采用横骨架式轻型结构。计算结果，其01甲板、02甲板和03甲板平均应力水平分别约为96、154和76 MPa，符合主船体与上层建筑的应力分布规律，03甲板开口角隅细网格计算的合成应力约为211 MPa。

图10 船型1有限元模型

图11 为船型2有限元模型，其01甲板为强力甲板，02甲板和03甲板下甲板室长分别约为0.72倍和0.41倍船长，采用横骨架式轻型结构，分别设有一道和两道横向过道结构。计算结果为02甲板84 MPa，02甲板宽度缩小，过度处细网格计算的合成应力约为150 MPa。

图11 船型2有限元模型

图12 为船型3有限元模型，其01甲板为强力甲板，02甲板下有3个围壁独立的甲板室，长度分别达到0.32或0.20倍船长，之间走道相隔，甲板相连，且在甲板宽度上有阶梯形缩进。计算结果为01甲板和02甲板平均应力水平分别约为81和99 MPa。

图12 船型3有限元模型

图13 所示的02甲板凹陷处细网格计算的合成应力约为367 MPa。

图13 局部细化模型

由以上分析可知，长上层建筑若未采取充分有效的措施使其尽可能少地参与总强度，则会产生比主船体强力甲板高的应力水平，在此情况下一些结构连续不佳部位的应力集中情况就有可能十分严重，必须予以高度重视。

2 长上层建筑结构设计要点

一般来说，为了充分利用船体材料，对于在船中区域长度超过0.15倍船长，且不小于本身高度6倍的长上层建筑，宜设计为强力上层建筑。如强力上层建筑参与总纵强度程度较高，则可将其作为船体梁上翼板——强力甲板设计。桥楼式(甲板延伸至两舷)长上层建筑必须设计为强力结构。

强力上层建筑，除满足局部强度外，还需要满足总纵强度要求，其甲板和侧壁骨架形式应尽可能采用纵骨架式，所有纵向构件应尽可能保持连续，侧壁与下方甲板纵壁或外板不重合时，应在下方甲板对应设置纵向桁材。强力上层建筑应具有适当的刚度使之能与主船体保持有效的同向弯曲，其设计应重点关注参与总纵强度的有效度问题和连接与过渡部位的应力集中问题，并据此合理优化主船体与强力上层建筑的材料分配［2］。

可采用梁理论与有限元方法进行上层建筑有效度计算，并校核主船体与强力上层建筑的弯曲应力水平。强力上层建筑的总强度应力衡准和稳定性要求应与主船体一致。在设计早期阶段，上层建筑参与总纵强度有效程度可参考与总体布局形式相近的母型船或按式(2)进行估算，进而通过式(3)估计上层建筑的平均应力水平。

式中:ηx——上层建筑平均应力有效度系数;

l——上层建筑长度，m;

x——计算剖面距上层建筑端部距离，m。

其中:k——包含上层建筑的船体结构刚度系数;

F，f——计算剖面处主船体和上层建筑的纵向有效构件总面积，cm2;

I0，i0——计算剖面处主船体和上层建筑的自身面积惯性矩，cm2·m2;

i1——上层建筑对主船体中和轴面积惯性矩，cm2·m2。

为了控制重量或重心高度，长上层建筑可以采用伸缩接头等形式进行分割，从而设计成轻型上层建筑结构。如果长上层建筑侧壁下面没有位置对应的甲板下刚性构件如纵壁、外板等支承，且支撑在不多于2个刚性构件上，其将与主船体产生反向弯曲变形，也可以设计为轻型结构。当上层建筑采用与主船体不同且弹性模数较低的材料如铝合金或复合材料等，可以视作轻型上层建筑。

轻型上层建筑的甲板及侧壁宜采用横骨架式结构，主要按照局部强度要求进行设计，但也要考虑连接与过渡部位的应力集中问题。

采用伸缩接头分断长上层建筑必须保证接头前后的上层建筑结构之间有足够的纵向移动间隙。船楼式上层建筑不宜设置伸缩接头。伸缩接头宜设置在对穿通道内，但图2中分断上层建筑的横向过道，其甲板及其纵向构件连续，不能视为有效的伸缩接头。伸缩接头距强力甲板大开口角隅一般不宜小于甲板室高度，两侧壁板及甲板板的伸缩接头应在同一平面内，不宜错位。伸缩接头以单层设置为宜。当有充分依据，也可多层设置伸缩接头。

应根据被伸缩接头分隔的各段上层建筑与船体连接情况，分析其是与主船体同向或反向弯曲，对应选择适当的伸缩接头类型，具体结构形式可采用波形板式接头或滑动式接头［3］。

强力上层建筑前后端壁处在船中0.5L范围内时，应尽可能与主船体横舱壁对齐，否则应在下方对应设置强横梁或支柱等。船楼端部外板应延长到端壁以外，当延伸长度不受限制时，可采用如图14所示的椭圆弧，长轴a=1.5h，短轴b=h，此时，应力集中系数不超过1.85;当上层建筑高度较大，而弧线长度和高度受到限制时，应力集中系数可按式(4)计算。过渡区的外板和附近的甲板、舷顶列板应作适当加强［4］。

图14 船楼端部外板过渡

船中0.5L范围内的长甲板室端壁与侧壁应采用圆弧连接，圆弧半径可按式(5)计算。当不能采用圆弧连接时，应采用铆接或其它减少应力集中措施。

式中:R——圆弧半径，m，且0.5h＜R≤1.4 m;

l——船中0.5L范围内长甲板室的长度，m;

b——甲板室端部宽度，m。

长上层建筑未设计有效的伸缩接头，且未按强力上层建筑进行结构设计时，其平均应力水平通常较高，横向对穿通道等部位易产生较大应力集中，因此应注意通道前后结构的连续性。通道侧壁应尽可能连续，否则应采用尽量高的纵桁连接，端部圆弧放大。图1的纵桁端部节点不可取。

对于布局复杂的强力上层建筑和未按强力结构设计的长甲板室，建议采用有限元法进行总强度和局部强度分析。可采用包含所关注的整个长上层建筑的中部舱段有限元模型，长度方向应自上层建筑端部向外延伸至附近主横舱壁，延伸距离不小于2h。进行总强度和有效度分析时，建议以普通骨材间距为基本单元尺寸。在此基础上，对关键节点部位、有明显应力集中部位或局部高应力区域，应进行细化网格有限元分析，细化网格区域内的单元尺寸应为普通骨材间距的1/10，但不大于50 mm×50 mm，也不必小于t×t(t为板材厚度)。细化网格有限元许用应力为1.7σs(不邻近焊缝处)或1.5σs(邻近焊缝处)。

3 结论

经验表明，累积性的结构损伤多数出现在上层建筑中，而上层建筑结构设计很大程度受制于总体性能与布置要求，为了获得更好的使用效能，总体一般希望能采用轻型结构设计，以有限元为基础的直接计算法为此提供了有力的手段。总结前文分析结果，建议在设计中注意以下几点。

1)关注长上层建筑参与总强度的有效度问题，当长上层建筑较大程度参与总强度时，必须按照强力上层建筑设计。

2)如果长上层建筑按照轻型结构设计，应该采用有效措施使上层建筑不参与总强度。一般应采用完全断开的弹性接头形式，并且使断开后的上层建筑长度等满足轻型上层建筑条件。如果采用其它方式，应有足够的证据证明其有效性。如果采用不完全断开的形式，如侧壁间断的通道布置等，则必须校核上层建筑参与总强度后的应力水平，并使其满足规范要求。

3)如果长上层建筑按照强力上层建筑设计，应采用有限元法或其它方法进行上层建筑有效度计算，并校核其上层建筑弯曲应力水平，使其满足规范要求。强力上层建筑应尽可能采用纵骨架式，所有纵向构件应尽量保持其连续性，并注意节点的良好过渡。

［1］中国船舶工业总公司.船舶设计实用手册结构分册［S］.北京:国防工业出版社，2000.

［2］王福花，伍友军，王德禹.强力上层建筑的有效度极其设计［J］.中国造船，2006，47(3):22-29.

［3］国家军用标准.舰船通用规范1组:船体结构［S］.北京:总装备部军标出版发行部，2000.

［4］中国船级社.钢质海船入级规范［S］.北京:人民交通出版社，2012.