长桥楼上层建筑结构设计分析

2014-11-12 08:05李源源孙巍

中国舰船研究 2014年3期

李源源，孙巍

1 中国舰船研究设计中心，上海 201108

2 海军驻沪东中华造船（集团）有限公司军事代表室，上海 200129

0 引言

现代舰船由于需要满足提高隐身性能、加大装载能力以及改善适居性等需求而设计建造了大尺度隐身封闭型上层建筑（其宽度能跨两舷），从而导致桥楼结构过于庞大。目前，长桥楼上层建筑的纵向长度远远超过0.15倍船长和本身高度的6倍（一般在0.5倍船长以上），甚至其第2层上层建筑也超过0.15倍船长和本身高度的6倍，并参与了船体总纵弯曲。2种典型长桥楼上层建筑型式外形如图1和图2所示［1-2］。

图1 典型长桥楼上层建筑型式ⅠFig.1 Typical long bridge superstructure formⅠ

图2 典型长桥楼上层建筑型式ⅡFig.2 Typical long bridge superstructure formⅡ

由上可见，长桥楼上层建筑将主甲板变成了内部甲板，而桥楼侧壁板与船体外板连为一体，并通过连续结构传递应力，同时,长桥楼的封闭结构也参与了船体总纵弯曲，这样就导致传统意义上的船体梁上翼板定义变得模糊。此时，长桥楼上层建筑与主船体紧密结合，成为一个整体结构同步弯曲，这样的情况给舰船上层建筑结构设计带来了极大挑战，即要在保证船体结构强度和刚度的前提下，尽可能减轻船体结构重量，并控制上层建筑重量，以实现有效降低结构重心和保证总体各项性能优化。

按照传统设计思路和规范要求，应将超过一定长度并参与了船体总纵弯曲的几层上层建筑都设计成强力结构。但是，这样势必会造成结构重量增加，舰船重心升高，从而影响总体性能。若将上层建筑进行轻型设计，则可减少上层建筑参与船体总纵弯曲的程度，同时，还可设置伸缩式弹性接头，以将长桥楼改成几个短桥楼。但是，此种设计会带来以下问题：伸缩接头处结构应力集中情况严重，结构破坏容易在伸缩接头处产生。另外，通用规范规定船楼式上层建筑不得设置伸缩接头，即使设置伸缩接头也应以单层设置为宜。因此，当长桥楼上第2层上层建筑也具有一定长度参与船体总纵弯曲时，应有充分依据证实该结构可靠，才可设置2道伸缩接头［3］。

基于此，本文选用不同材料进行长桥楼上层建筑结构设计，设计中在控制结构重量的同时，还应力求确保船体结构强度和刚度。由于不同材料弹性模量差异大会导致相同尺寸结构上层建筑参与船体总纵弯曲的程度不同，因此，本文主要对比钢质、铝合金等不同材料的上层建筑设计，并分析复合材料结构设计的可行性，以为其他材料应用提供参考。

1 钢质长桥楼结构设计

综合考虑船体性能、使用要求、总体布置以及现有规范，在长桥楼第1层上层建筑不设置伸缩接头，并将其设计为强力结构，以作为船体梁的上翼板设计。随后，将内部主甲板作为下层内部甲板设计，并在上层强力甲板与艏部露天主甲板的间断交错部位设置强力结构过渡区域［4］。

将长桥楼第1层上层建筑设计为强力结构可提高船体梁的惯性矩和剖面模数，这对于保证全船结构性能非常有利。但是，主船体受中拱弯矩，其由于弯曲作用会产生一定曲率半径，此时，主甲板受拉伸长并受到上层建筑下沿的约束，该约束使得连接处分布有水平剪力。同时，上层建筑下沿由于受到主甲板伸长的影响也发生伸长。由此，水平剪力作用使得上层建筑产生剖面歪斜，从而减小了弯曲应力。这种效应使得越是接近上层建筑端部，剖面歪斜就越大，因而由于剪切影响而使纵向应力减小的效果越接近端部就越大。虽然长桥楼侧壁底部与主船体有相同的曲率，但是由于水平剪力的作用，纵向应力的垂向分布并不是线性的，不同纵向剖面总纵弯曲应力分布变化如图3所示［5-6］。

图3 不同纵向剖面总纵弯曲应力分布变化Fig.3 Overall longitudinal bending stress distribution of different longitudinal profiles

上层建筑参与总纵弯曲强度的程度与其长度、宽度、材料性能等密切相关，由上分析，长桥楼端部的纵向应力下降，但端部的应力集中情况严重，有较大的垂向应力，设计时应进行局部加强和过渡处理，以确保将长桥楼第1层上层建筑设计为强力结构。

当长桥楼第2层上层建筑超过一定长度时，其也会参与船体总纵弯曲。因此，为控制上层建筑重量，可将长桥楼第2层上层建筑设计为轻型结构。例如，可在长桥楼第2层上层建筑中设置横向伸缩接头，如此，一个长上层建筑就分成2个相对较短的上层建筑。同时，柔化附近侧壁结构，以确保将长桥楼第2层上层建筑设计为轻型结构。

要想实现柔化侧壁结构，首先应在侧壁上开口，然后使用带纵骨的钢板进行封补，该钢板与开口四周侧壁板应采用不焊接的方式，类似伸缩接头设计，呈自由伸状态。由此，经柔化的侧壁与甲板上的弹性接头一起可以形成一个弹性分割环，该分割环能够将02甲板参与船体总纵弯曲的路径切断，从而长桥楼第2层上层建筑就被隔断为2个短桥楼。

为验证该结构设计的可行性，以某水面舰船为研究对象，从底部结构到02甲板建立了该舰船的全船有限元结构模型，同时对船体总纵弯曲应力进行分析，以证实该结构形式是否有效。从全船有限元结构模型的计算结果中抽取出来的02甲板结构总纵弯曲应力分布云图如图4所示，图中显示长桥楼第2层上层建筑的前部和后部参与船体总纵弯曲的程度小，且在弹性接头处02甲板纵向应力较低，由此可见，轻型侧壁起到了有效的隔离作用。

图4 02甲板结构总纵弯曲应力分布Fig.4 Overalllongitudinalbendingstressdistributionin 02 level

在进行有限元结构模型计算的同时，还制作了第1层连续、第2层设置伸缩接头间断的上层建筑钢质结构模型，以测试弯曲力矩作用下的结构应力响应状况。然后，基于钢质结构模型测试结果对第2层上层建筑的总纵弯曲应力分布进行分析，发现设置伸缩接头后在接头内侧的剖面处，即侧壁下部的垂向拉伸应力出现峰值。同时，02甲板在接头前后的纵向应力也有大幅下降，这说明接头处的剖面已成为第2层上层建筑的新“端部”，该伸缩接头能够有效减少长桥楼第2层上层建筑参与船体总纵弯曲的程度。

在经过结构有限元计算和模型应力测试，并经实船适航性试验后，证实了这种第1层连续、第2层设置伸缩接头间断的上层建筑结构设计可靠，船体结构性能优良，重量得到了一定减轻，且有助于降低重心，从而较好地适应了现代舰船设计需求。

2 铝合金长桥楼结构设计

铝合金设计研究状态是指主船体采用钢质结构，而1甲板以上上层建筑（包括长桥楼）均采用铝合金结构。

以某水面舰船为研究对象，对比3种模型结构性能，并进行设计计算。3种模型的主船体结构均为钢质，模型1为无上层建筑，模型2为连续的纵骨架式铝合金长桥楼钢质主船体，模型3为设有3道伸缩接头的纵骨架式铝合金短桥楼钢质主船体。同时，采用中拱弯矩进行加载，研究铝合金上层建筑参与船体总纵弯曲时的总纵弯曲应力和变形状况，从而得到铝合金结构参与船体总纵弯曲的有效程度，其变形状况如图5～图7所示。

模型1最大弯曲变形149 mm，船舯舷侧上缘最大总纵弯曲应力在船舯舷侧上缘，应力值σ1max=98.1 MPa。模型2最大弯曲变形104 mm，最大总纵弯曲应力在船舯桥楼侧壁下缘钢质外板处（不计应力集中），应力值σ2max=52.9 MPa，船舯01甲板处最大总纵弯曲应力值σ2s=48.2 MPa。模型3最大弯曲变形132 mm，最大总纵弯曲应力在船舯桥楼侧壁下缘钢质外板处（不计应力集中），应力值 σ3max=69.0 MPa，船舯01甲板处最大总纵弯曲应力值σ3s=20.9 MPa。

然后，将模型船舯的横剖面总纵弯曲应力分布按高度方向到01甲板进行绘图，如图8所示，其中z为横剖面垂向高度，σ为总纵弯曲应力。模型3的应力分布形式与模型2接近，其上层建筑总纵弯曲应力上升更加平缓。

图5 无上层建筑的钢质主船体变形Fig.5 Hull bending displacement for steel main hull without superstructure

图6 连续铝合金长桥楼钢质主船体变形Fig.6 Hull bending displacement for steel main hull with continuous aluminum long bridge

图7 设置3道伸缩接头的铝合金短桥楼钢质主船体变形Fig.7 Hull bending displacement for steel main hull with discontinuous aluminum bridge which sets three expansion joints

图8 3种模型横剖面总纵弯曲应力对比Fig.8 Overall longtudinal bending stress distribution comparison of three models

可见，弹性模量为钢1/3的铝合金结构作为上层建筑结构参与船体总纵弯曲的有效程度会大幅下降。

若计算上层建筑有效程度，可通过对比总纵弯曲应力或承受载荷来得到效率，针对本项目研究内容和目的，认为应以总纵弯曲应力对比系数作为研究对象：

式中：σ0为无上层建筑时主甲板内的总纵弯曲应力，MPa；σp为有上层建筑时主甲板内的总纵弯曲应力，MPa；σ100为上层建筑100%有效时，主甲板内的总纵弯曲应力，MPa。

基于上层建筑占主船体长度的百分比变化，并通过有限元计算可求得钢质上层建筑和铝合金上层建筑模型参与船体总纵弯曲的有效程度，如表1所示。

表1 不同长度比的钢质、铝合金上层建筑参与船体总纵弯曲的有效程度Tab.1 Effectivedegreeofsteelsuperstrutureand aluminum superstructure participating in overall longitudinal bending for different length percents

表1可见，使用铝合金作为上层建筑材料，可使上层建筑参与船体总纵弯曲的有效程度大大降低。当桥楼长度超过60%船长时，其参与船体总纵弯曲的程度趋于稳定，且随上层建筑长度变化不明显。钢质桥楼趋于100%，铝合金桥楼趋于60%，可以认为长度超过60%船长的钢质桥楼完全参与了船体总纵弯曲。由此可见，材料性能对结构参与船体总纵弯曲有效程度的影响很大，铝合金由于弹性模量低，故非常适合作为长桥楼的结构材料［7］。

除了应用材料，在长桥楼上层建筑设置弹性接头也可降低其参与船体总纵弯曲的有效程度。但是，弹性接头处的应力集中现象不容忽视，这是因为应力集中区域在船舶长期服役过程中容易出现裂纹等疲劳破坏，而铝合金短桥楼在弹性接头下缘附近的应力集中现象尤其严重。鉴于铝合金材料本身强度低，焊后性能又有大幅下降，且铝合金结构在满足强度和刚度使用要求后的本身重量较之钢质结构有大幅减轻，因此，如无特别需求，一般不建议在铝合金长桥楼设置弹性接头（其中包括第2层上层建筑）。

第2层上层建筑一般位于舰船艏部或偏艉部，在前述分析的横剖面总纵弯曲应力分布纵向变化规律下，可知第2层上层建筑的总纵弯曲应力比第1层上层建筑要小，且其长度较之第1层上层建筑有大幅缩短。所以，如果采用铝合金材料，可以将其设计为横骨架式轻型结构，从而有利于重量重心控制。

3 复合材料上层建筑应用分析

复合材料是一种理想的新颖结构和功能材料，相比钢材和铝合金，其弹性模量更低，且重量更轻，具有传统造船的金属材料所不具有的优良综合性能：良好的隔热特性和防火性能，能隔断火焰蔓延，且无需附加隔离层，将其用于建造烟囱能够有效阻止热量散发，从而取得很好的红外隐身效果；不存在腐蚀现象，抗老化试验表明，这种材料能够在100℃温度下长期使用，也非常适合在海洋环境应用；为无磁性材料，代替钢材使用可降低舰船磁特征信号，从而提高隐身性。由此可见，使用复合材料建造上层建筑可以大大减轻重量，降低总体重心。并且，其低模量特征使得其参与总纵弯曲的有效程度低，从而有利于上层建筑结构设计。

考虑到复合材料设计目前还不成熟，建议先使用复合材料进行上层建筑局部结构设计。例如，可将复合材料上层建筑设计成横骨架式，并尽量采用大板格，以减少构架和连接数量。同时，针对复合材料结构存在强度较高但刚度不足的情况，可以采用夹芯材料或三维点阵立体材料来增加板材刚度。典型复合材料上层建筑结构如图9所示。

图9 典型复合材料上层建筑结构Fig.9 Typical composite material superstructure

由于复合材料是非金属不能焊接，且在门窗开孔、设备安装等部位对复合纤维层有破坏，因此，需采取一定工艺进行局部补强，以不影响船体和设备正常使用，并避免给结构带来破坏隐患。

此外，复合材料上层建筑结构连接节点还拥有复合材料结构之间的各种连接以及复合材料与钢质结构的连接，其典型复合材料与钢质主船体的连接示例如图10所示，其采用螺接加胶接的方式进行混合连接。

图10 典型复合材料上层建筑与钢质主船体连接Fig.10 A typical form for connecting composite material superstructure to steel main hull

4 结论

目前，船厂在建造中能够保证钢质结构的焊接性能，并有效控制焊接变形。但是，针对铝合金结构焊后性能与变形控制等方面还没有稳妥措施，对于复合材料的连接、补强等工艺更是没有掌握。由此，综合考虑生产建造现状、长桥楼计算分析和实际航行使用情况，总结得到以下结论：

1）跨两舷的长桥楼上层建筑宜设计为连续结构，并优先采用钢质强力结构设计，如此，可大大提高船体梁的惯性矩和剖面模数，从而改善舰船的刚度和振动。同时，由于主甲板变成了内部甲板，并对其进行非强力设计，从而整体重量可以得到合理控制。

2）若舰船有特殊重量控制要求，长桥楼上层建筑连续结构可以采用铝合金结构设计，而主甲板则采用通畅强力结构设计。然而，由于铝合金相关配套材料和技术尚不成熟，因此，这种设计需要船厂高质量的施工建造能力配合。此外，对铝合金的焊接和钢铝之间连接要求较高，应注意加工工艺措施。

3）长桥楼第2层上层建筑采用钢质材料并设置伸缩接头，然后进行轻型化设计，这样对重量重心的控制有利；当其采用铝合金或复合材料时，则可设计为横骨架式结构，且无需设置伸缩接头。

随着现代化发展趋势，上层建筑外形更加简洁，隐身性能更加优良，同时高度集成一体化。因此，上层建筑结构设计要根据作战使用需求不断进行改进，同时运用新型式、新材料和新工艺以实现更优性能。

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