钢铝混合双体沿海客船结构设计

吴猛 黄涣青 石科良 朱继欣

摘    要：双体船应用较为广泛，本文重点阐述了双体客船结构设计中的技术要点，并借助有限元计算软件对某型钢铝混合双体沿海客船总强度进行分析，并根据计算结果对其设计方案提出建议。

关键词：双体客船;结构设计;强度分析;钢铝混合

中图分类号：U663.2                                文獻标识码：A

Abstract：  At present， catamarans are widely used. This paper focuses on the technical key points in the structural design of passenger catamaran， analyzes the total strength of a certain type steel-aluminum mixed coastal passenger catamaran with the finite element calculation software， and makes suggestions for the structural design according to the calculation results

Key words： Passenger Catamaran; Structural design; Strength analysis; Steel-aluminum mixed structure

1    引言

双体船凭借其稳性好、甲板面积大、外观新颖等特点，在民船、军船和海洋工程中得到迅速发展，尤其在客船领域应用最为广泛。

双体船主船体由两侧的片体和连接桥组成，甲板面积较为宽阔，同时两个片体瘦而长以减小其所受兴波阻力。独特的船体结构形式必然导致其结构载荷及强度特点与单体船有所不同。在双体船结构设计和强度计算时会产生较多的技术难点，如全船结构重量控制、连接桥与片体的连接形式及加强、首尾抗扭结构的设置、船体空间狭小施工难等一系列问题。

本文介绍了钢铝混合双体沿海客船的结构设计，阐述了设计过程中的技术要点和应予关注的问题，并对其连接桥进行结构强度有限元分析计算，以评估其结构强度是否合理等，从而得出一些设计经验，可为后续类似船舶设计时提供参考。

2    钢铝混合双体客船结构设计

双体客船船体结构设计参照中国船级社《国内航行海船建造规范》（2018）（以下简称《规范》）、《船舶与海上设施法定检验技术规则》2011及最新修改通报（以下简称《规则》）的有关要求进行设计和构件加强。

2.1  结构设计形式特点

典型钢铝混合双体客船主船体部分由左右两个单片体和中间连接桥组成，为钢质全焊接结构。其中，片体为连续甲板、单壳，主船体片体和连接桥通常采用横骨架式结构，并对连接桥位于首尖舱和尾尖舱的区域设置抗扭箱以提高抗扭能力。

上层建筑采用大跨度框架结构以增加其内部空间的通透性，甲板骨架采用纵骨架式，客舱侧壁为大开口玻璃幕墙。

2.2  总强度计算

依据《规范》要求，双体船总强度需进行直接计算。

3   设计实例及总强度计算分析

3.1  设计实例简介

以某航行于珠江及附近海域（沿海航区）的300客位钢铝混合双体客船为例进行，全船结构设计，并建立全船结构有限元模型。根据《规范》对其连接桥区域的总横强度和扭转强度进行校核。

该船主要用于海上观光和旅游交通;船体为双体、双机、双桨、双舵、尾机型，主船体为钢质全焊接结构，上层建筑客舱区域为铝合金材料。该船主尺度参数如下，典型横剖面见图1。

3.2  结构设计技术要点

钢铝混合双体客船结构设计有其独特的技术难点，在设计过程中以满足《规范》和《法规》要求为前提，在设计过程中须重点关注以下问题：

（1）全船结构重量控制

由于要保证一定的航速且客船排水量较小，要求尽可能降低船体结构重量，可将上层建筑改用铝合金材料，既保证了钢质主船体拥有足够的强度和刚度，又降低了整船的结构重量和重心;

（2）设置强框架

客船上层建筑强框架的间距将直接影响侧壁大开口窗户玻璃设置的美观性，因此在设计时要进行全局考虑。同时，连接桥的强构件须与主船体强框架在同一平面，形成完整的横向框架结构;

（3）考虑局部狭小空间的施工要求：双体船片体一般瘦而长导致横向空间较窄，尤其是首尖舱部分区域。在设计时应提前考虑施工因素，如采取局部塞焊或者铸钢件代替等;

（4）合理选取构件规格

须注意铝合金型材的弹性模量只有钢材的约1/3，在选取构件规格时应考虑变形的影响;

（5）防火等级对结构的影响

铝合金的防火性能较钢低，而客船对防火要求比较高，因此对于在选择铝合金尺寸的同时还应考虑防火等级的要求，在选择用钢材时应考虑防火芯材的等效替换计算;

（6）铝合金材料和钢材的连接形式

目前钢铝复合材料的有效焊接已被广泛应用，并取得良好效果。但是钢铝复合接头位置的选取应特别注意，钢铝复合材料尽可能的选取标准件，且应保持在同一平面，在纵向受力板件中应用钢铝复合材料时应尽可能使接头缝成45°角设置;

（7）抗扭箱的设置

双体船在斜浪中连接桥的扭转强度需在设计时考虑，可在首尾扭转变形较大区域设置抗扭箱，并采用有限元方法进行直接计算进行验证;

（8）连接桥底封板的设置

对于连接桥区域，有设置底封板和不设置底封板两种方案：设置底封板可有效保护连接桥构件，但会增加结构重量;但设置底封板可以提高双体船抗横弯的能力。因此，設计时如果全船结构重量允许的情况下，建议设置底封板以增强其抗横弯能力;

（9）上层建筑采用大跨度桁架设计

为避免影响客舱的使用和美观，应尽量不设或少设置支柱;在设计构件大小时，必须综合考虑层高、跨距及轮机、舾装、电气等各专业间的协调。主要是通风管道和内部装修对层高的影响， 必要时可采用箱型梁有效增大构件的强度而降低构件高度，同时须注意箱型梁腹板和面板比例的协调。

3.3  总强度计算

3.3.1模型范围及单元类型

有限元模型取主甲板以下的全船结构，具体的模型范围如下：纵向范围为从尾封板至船首;横向范围为全宽;垂向范围为从船底至主甲板处。

模型片体/连接桥甲板、舷侧板、片体/连接桥底板、横舱壁/横隔板、纵桁、强横梁以及各强构件腹板、主机座纵桁、面板、横隔板等，均采用二维3、4节点壳单元模拟;其它纵骨、加强筋以及强构件面板等，用2节点梁单元模拟。

3.3.2  边界条件及载荷

（1）边界条件

对于处于平衡状态的整船有限元模型，可采用《规范》中表4.2.1及图4.2.1设置边界支点及约束条件。

（2）载荷计算

若双体客船具有以下特征：L≤60 m、L/D ≤15、B/D≤3.5、b1/B ≤0.4，可按《规范》18.3.2确定船舶的总载荷。该船主要参数满足上述特征，故可根据《规范》18.3.2公式计算载荷，计算结果如下（见表1）。

（3）载荷施加

连接桥总横弯矩Mbx，可通过与片体内侧系列节点上施加横向对开力等效进行计算。

横向对开力fy按下式计算：

（1）

式中：Mbx—连接桥总横弯矩，kN·m;

z—横向对开力施加点至连接桥中纵剖面中和轴的垂向距离，m;

n—单个片体施加横向对开力的节点总数。

横向对开力分别施加在每个片体各肋位的平板龙骨中点。

连接桥的总横扭矩Mty，可通过反对称分布在片体中纵剖面内的垂向均布力等效施加。反对称分布是指垂向均布等效力，即关于双体船中纵剖面反对称和关于中横剖面反对称，等效的垂向分布载荷Px由下式计算：

（2）

式中：L—双体船船长，m;

Mty—连接桥扭矩。

按船长计算，求得等效的垂向分布载荷Px=27100 N/m。

3.3.3  计算工况

计算工况参考《规范》规定，该船小于50 m，校核6种载荷组合工况（见表2）。

3.3.4 强度衡准及计算结果

（1）屈服强度许用应力

根据《规范》，屈服强度许用应力见表3;梁单元《规范》并未规定许用衡准，其组合应力将参考板单元相当应力衡准（200 MPa）进行评估。

（2）屈曲强度评估衡准

屈曲强度评估参考《规范》要求，即甲板及舱壁的标准减薄厚度为1 mm，甲板及舱壁的最小屈曲安全因子为0.8。

（3）计算结果

连接桥应力计算结果汇总，见表4。 对连接桥甲板及横舱壁应力较大的板格进行屈曲强度校核。根据校核结果，该船连接桥及舱壁支撑结构的屈服及屈曲强度均满足《规范》要求。

4   结论

（1） 对于钢铝混合客船的设计，铝合金材料与钢材的连接形式和位置相当关键，直接影响全船结构强度和安全。在此类船设计中选用钢钛复合材料且尽可能使连接断面选取在同一型深方向上，有利于全船强度和施工要求;

（2） 施加总横弯矩时，位于横舱壁附近的主甲板及连接桥底板易出现应力集中，尤其是位于主甲板和升高甲板的结构突变位置，这部分区域的主甲板及连接桥底板需要进行适当加厚;

（3） 施加总横弯矩时，在连接桥与片体连接位置产生较大应力，对该处强肋骨或横舱壁部分区域采取局部加强，同时该区域的连接桥横向强构件采取端部放大或加厚板的方法以增加强度;

（4） 施加总横扭矩时，在首尾抗扭箱位置产生较大应力，须对抗扭箱的结构形式和强度重点关注，可采取适当加厚横隔板、采用高强钢或将横隔板插入船壳内部的连接形式，以提高抗扭箱的强度。

参考文献

[1] 管义锋，黄涣青，谷家扬，马卫泽. 双体铝合金高速客船强度有限元 分析研究[J].船舶工程，2011（6）.

[2] 吴先彪，熊云峰，骆婉珍. 钢质双体客船结构总强度有限元分析[J].舰   船科学技术，2014（5）.

[3] 冯坚，谷家扬. 11.9 m双体交通艇总强度有限元分析[J].江苏船舶， 2010（3）.

[4] 中国船级社. 国内航行海船建造规范[S]，2018.

[5] 中华人民共和国海事局. 船舶与海上设施法定检验技术规则[S]，2011.