钢夹层板船体结构优化设计及其强度研究

朱晋超

摘要：钢夹层板作为复合材料领域的新兴产品，凭借其简单的工艺、较高的强度、稳定的性能、较低的成本等一系列优势，得以应用于驳船、渡轮、散货船等船体结构中，进一步研究和优化意义重大。

关键词：钢夹层板；船体结构优化；强度

钢夹层板复合材料刚性大、强度高、重量轻，而且经济环保、舒适性好，逐渐成为船体结构的重要材料，需对钢夹层板船体结构予以优化设计，深入研究。

1.钢夹层板船体结构优化设计原理

强度是复合材料推广应用过程中必须解决的关键问题，钢夹层板材料也不例外，若钢夹层板船体结构强度设计不当，则易对船体的安全性和使用效益构成威胁。因此通过综合分析、合理对比夹层板理论、单层板等效、有限元结构等钢夹层板船体结构分析方法，以及屈曲强度和极限强度分析方法后，得出了优化钢夹层板船体结构的设计原理，具体阐述如下。

对于船体而言，高航速和大荷载是其重要的技术指标，所以如何在满足刚度和强度的基础上实现厚度优化尤为关键，简而言之，就是设计的夹层板和芯层厚度，既要符合屈曲、强度、频率、位移、尺寸等约束要求，也要确保结构重量最轻[1]。这就需要我们合理计算强度因子在满足R<1的条件下单位夹层板的重量参数的最小值，即 的极小值，其中 、 、 、 、 、 分别代表顶板厚度、底板厚度、芯材厚度、表板密度、芯材密度和胶层重量，且设 / =k，当其满足4.2 / -3.4时可得到最小的F值，表示可实现钢夹层板船体结构设计的优化，但在实际设计中应妥善处理剖面模数与结构重量的矛盾。

2.钢夹层板船体结构优化设计及其强度研究

2.1.结构优化设计

为更为直观的了解钢夹层板船体结构优化设计及其强度性能，在此以一钢制油船为例加以分析。已知该母型船为无限航区的双壳油船，总长、垂线间长、型宽、型深、设计吃水分别为144.0、134.5、21.5、11.3、7.65（m），吃水方形系数为0.8177，排水量和压载舱容分别为16660和6610（m?），中拱和中垂最大静水弯矩分别为958516和-1010319（kN.m）[2]；然后基于上述提及的结构优化原理和实际需要对该船的原有结构作了改装设计，其中甲板、内外壳、内外底、斜板等为重点优化部位，经初步分析发现，优化后的钢夹层板船体结构的重量有所减轻；为进一步了解结构优化结果以及其强度性能，则构建了有限元模型，但为实现非对称性载荷工况，除了涉及端部横舱壁外，还应在模型中引入船体左右部位的舷结构。

具体而言，该模型重要采用多点约束用于确定边界条件，即一方面使端面的纵向单元与位于中心线中和轴位置的独立点保持一定的相关性，并对位于后端的独立点加以x轴位移约束；另一方面则借助一端为刚性固定的弹簧单元模拟边界条件，以此确保自由端面有一个假定的平断面，但弹簧单元需分别设置在甲板、外板、内壳、内底板、舷侧、舱壁位置（结构模型见图1）[3]；最后进行了施加载荷操作，包括船舷外水作用产生的压力、货油压力、端面弯矩等，以便科学验证优化后的船体结构强度效果。

图1 钢夹层板船体结构模型及其边界条件

2.2.强度评估研究

一是针对屈服强度计算，依旧采用许用应力直接计算刚夹层板船体结构的实际承载能力，此时便需要根据 这一等效应力估算屈服强度（此时的单元等效应力等于基准应力），其中 和 分别代表单元正应力， 代表单元剪应力，通常钢夹层板的面板及其支撑构件处的基准应力不得超过235kN/mm2，而芯材的基准应力和层间剪切力应分别小于芯材强度和最小粘接力；经评估对比钢夹层板船体结构中的面板屈服强度和局部芯层强度，即甲板、内外底、斜板、内外壳的对应工况、最大应力、许用应力、实际屈服度、剪切应力等参数，发现优化后的船体与普通船体有着类似的应力分布，且高应力位置也大体相同，但在整体上有着较低的应力水平。建议在以后的钢夹层板船体结构优化中，还应适当降低双层底高和斜板宽度，以强化斜板设计效果，并合理减小面板厚度以期改善甲板的应力效果。

二是针对屈曲强度计算，考虑到钢夹层板船体结构的屈曲强度需要满足 / ≥1.1这一条件，其中 和 分别代表单面受压载荷和梁弯曲应力，故需要结合有限元法解决复杂的边界问题和受载问题，优化后的船体结构有着较强的屈曲强度。

最后经综合对比分析得出，优化后的钢夹层板船体结构中的甲板、内底和外底的梁剖面模数有一定的减小，甲板、内外底、内外壳、边舱斜板的质量分别降低了13.12、6.56、70.55、84.25（吨），而且成本节约效果明显。故上文所述的钢夹层板船体结构优化效果较好，强度性能有所提高。

结束语：

随着钢夹层板在船舶和海洋领域应用范围的不断扩大，对其船体结构设计及其强度也会有越来越高的要求，进一步提高钢夹层板在船体中的应用效果和价值，以强度因子为切入点，探索合理的优化方法。

参考文献：

[1] 刘志慧.钢夹层板船体结构强度分析方法研究[D].哈尔滨工程大学，2011（05）.

[2] 周萍.钢夹层板船体结构强度及振动性能分析[D].哈尔滨工程大学.2011（09）.

[3] 任思杨.工程船结构强度直接计算及优化研究[D].武汉理工大学，2010（06）.