基于铝质夹层板的上层建筑轻量化设计

柯 力 张延昌 刘 昆 王 元 吴嘉蒙

（1. 江苏科技大学 船舶与海洋工程学院 镇江212003；2. 江苏科技大学 海洋装备研究院 镇江212003；3.中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011）

引 言

随着船舶与海洋工程结构大型化、复杂性、工作状态危险性的发展趋势，以及节能、环保、安全、舒适的需求，对船体结构性能的要求越来越高。但是船舶自身结构质量却是影响船舶性能的一个重要因素，因此结构设计水平亟待提升从而有效解决结构性能与结构质量之间的矛盾。为了解决这一矛盾，国外船厂在建造小型游艇和豪华邮轮时，常用铝质夹层板替代传统结构，如设计制造全铝游艇，在豪华邮轮的舱壁衬里、天花板等区域用铝质夹层板进行隔音减重等［1］。

铝质夹层板具有质量轻、均匀性好、高强度刚度、耐腐蚀及隔音性能好等特点［2-4］，可以减轻结构质量、节约成本，还能改善人员办公环境和居住环境，提高舒适度。为普及铝质夹层板的应用，国内外学者针对铝质夹层板在船舶上的应用及力学性能分析方面开展一定的研究工作。其中，Kooistra G W［5］对铝质夹层板的结构型式进行了设计并进行了强度校核，经计算，四面体桁架式铝质夹层板结构的结构强度可以媲美蜂窝型夹层板，并且制造成本低，制造工艺相对简单，可以用于船舶实际应用。Mohan K［6］则研究了金属泡沫的抗冲击性能，并针对铝质泡沫夹层板的结构性能进行了冲击试验研究。相比于船用结构，吸能效果显著，并且破坏形式仅为受载面板局部穿孔，非受载面板并未失效。该种结构形式的铝质夹层板用于船舶建造中可以有效提高船舶结构安全性。Foo［7］对铝夹层板受低速冲击引起的失效响应情况进行试验研究和仿真分析，结果表明铝质夹层板的失效主要与芯层厚度和芯层数量有关，而利用离散型建模方法得到的仿真数据与试验数据吻合较好，具有重要的参考意义。国内学者也在铝质夹层板的结构特性和轻量化应用方面进行一些研究工作，包括铝质夹层板数值仿真模型化技术［8］和静动态力学性能预报方法［9-10］，为其工程化应用提供技术支持。此外，张钱城等［11］针对车辆轻量化问题，以减重20%为目标，利用铝质夹层板替代实心结构并对弯曲性能进行理论分析，结果表明铝质波纹夹层板抗弯性能更佳。在船舶领域，李鹏［12］基于铝质夹层板对船体舱室结构进行轻量化设计，证明用铝蜂窝夹层板替代两种传统轻舱壁可以起到明显的减重效果，并且其强度和刚度都有所提高。

综上所述，国内外研究成果为铝质夹层板在船舶与海洋工程领域的应用奠定了基础并指明了方向，本文依托以某船上层建筑为研究对象，利用铝质夹层板对上层建筑局部结构进行替代设计，通过对比分析传统加筋板架结构与铝质夹层板结构的力学性能，讨论替代设计的可行性，为民船上层建筑的轻量化设计及铝质夹层板的实船应用提供参考。

1 铝质夹层板替代设计研究

1.1 夹层板结构类型设计

为选出力学性能较佳的夹层板芯层类型，本文对常用I型、V型、U型、Uc型铝质夹层结构力学性能进行对比分析，选出较佳的芯层型式。四种夹层板的芯层如下页图1所示。

在进行结构替代设计时，为选出较优的夹层板结构类型，根据目标上层建筑结构特点选取某前端壁局部区域与铝质夹层板进行力学性能对比分析。该区域长L0= 2000 mm、宽B0= 2000 mm、板厚t0= 7 mm、加筋尺寸为125 mm×75 mm×7 mm、间距s= 800 mm、结构质量m0= 262.66 kg。因此，四种夹层板结构整体尺寸为L= 2000 mm、B=2000 mm，芯层尺寸参数设计如下：

I型夹层板：tf= 5 mm、tc= 3 mm、hc= 80 mm、b= 62.5 mm、W= 125 mm；

V型夹层板：tf= 5 mm、tc= 3 mm、hc= 80 mm、W= 125 mm、a= 125 mm、b= 0 mm；

U型和Uc型夹层板：tf= 5 mm、tc= 3 mm、hc= 80 mm、W= 125 mm、a= 105 mm、b= 20 mm。

图1 四种夹层板结构单元

基于上述结构尺寸参数，利用有限元软件Abaqus进行建模，采用壳单元模拟，网格尺寸取20 mm，加筋板为船用低碳钢，夹层板为铝合金材料；计算时参考CCS“海规”［13］，取23.5 kPa均布静态载荷，施加于加筋板面板（外壁）和夹层板的上面板，加筋板和各夹层板约束均为四周刚性固定，计算结果汇总于表1。

表1 四种夹层板静强度的计算结果

续表1

从表1中可以看出，在23.5 kPa均布静载作用下，四种夹层板的应力和变形均小于该局部加筋板架结构。其中，I型铝板质量最轻，V型变形最小，Uc型铝板应力最小。因此，根据单一质量、变形以及应力指标进行分析，很难筛选出力学性能相对较优的夹层板类型。为定量评估各夹层板力学性能，选出力学性能较优的夹层板结构类型，用于后续上层建筑结构轻量化替代设计，本文以结构质量、变形和应力为目标，建立目标函数f对四种夹层板进行多目标分析：

式中：α、β、γ分别是fm、fv、fs无因次指数的权重系数。从表1中可知：四种夹层板结构质量较加筋板轻了30%以上，α值不应较大；夹层板变形为mm级，相对于长宽均为2000 mm的夹层板而言，变形量相对较小，β值也不应较大；夹层板变形为MPa级，量级相对较大，γ值应相对较大。因此，经综合考虑，取α= 0.3，β= 0.3，γ= 0.4 ；fm、fv、fs分别是夹层板结构质量、上面板中点处的变形与应力的隶属度。

通过对目标隶属度进行分析，可以将目标无因次化，避免单位统一的问题，同时也能清晰地反应出不同对象间目标的数值大小。目标隶属度计算方法如下：

根据式（1）和式（2）对表1中夹层板的计算数据进行处理，如表2所示。

表2 四种夹层板的目标函数

多目标函数f值越小，说明夹层板力学性能越佳。从表2中可以看出，Uc型铝质夹层板目标函数最小，V型次之。因此，与目标上层建筑某局部前端壁结构相比，Uc型夹层板具有更优的静力学性能，本文选取Uc型铝质夹层板进行后续上层建筑结构轻量化替代设计。

1.2 连接结构设计

1.2.1 上层建筑结构特点

目标上层建筑有五层甲板室，为纵骨架式结构，如图2所示。甲板室由甲板板、舱室以及端壁结构组成，总重454 t，其中前端壁结构（含骨材）重3.25 t，01前端壁与船体主甲板连接。

图2 上层建筑整体结构图

从图2可以看出，该上层建筑前端壁结构布置均匀且加筋尺寸相当，各层端壁厚度差异不大，平整度较高，易于装配。因此，针对上层建筑前端壁结构可进行铝质夹层板轻量化替代设计，并对替代过程中出现的夹层板与夹层板以及夹层板与加筋板间的面内和非面内连接结构进行设计。

1.2.2 面内及非面内连接结构

根据船体焊接工艺规范并参考其他相关领域研究成果，设计面内和非面内连接型式及主要尺寸参数，汇总于表3和表4。

表3 面内连接结构设计方案

表4 非面内连接结构设计方案

续表3

由表3和表4可见，所确定的连接型式涵盖了面内与非面内（L型、T型）连接、夹层板-加筋板与夹层板-夹层板连接，其连接方式主要是焊接。

2 上层建筑替代设计

2.1 夹层板及连接结构参数设计

该上层建筑01前端壁板厚为10 mm，02前端壁板厚为8 mm，03～05端壁板厚均为7 mm，前端壁扶强材结构尺寸为125 mm×75 mm×7 mm，如图3所示。01～05前端壁（含加筋）结构质量分别为10916 kg、6282 kg、5910 kg、5832 kg和 3581 kg。

图3 上层建筑前端壁

在利用铝质夹层板对前端壁结构进行替代设计时，以最小质量原则进行结构初步设计。由于夹层板单元结构尺寸参数较多，满足结构质量要求的初步设计尺寸组合方案很多。因此，本文以铝质夹层板的高度进行系列分类，分别选取夹层板高度为100 mm、80 mm、60 mm三个系列；上、下面板及夹芯厚度不小于3 mm，板厚为连续变量（0.5 mm连续）；夹芯单元短边宽度a的取值范围为40～50 mm，每隔5 mm取一种结构形式，a+b= 200 mm，保证面板板格宽度与面板夹角范围在50°～70°。根据以上限制条件确定出满足要求的夹层板结构尺寸初步设计方案，见表5。

表5 铝质夹层板初步设计方案

Uc_100、Uc_80、Uc_60这三个夹层板设计方案中，A系列用于替换01、02前端壁，B系列用于替换03-05前端壁。根据夹层板初步设计方案和实际制造工艺，对连接结构尺寸参数进行设计，如表6所示。

表6 连接结构设计方案mm

相比于传统上层建筑前端壁结构，采用这三种Uc型铝质夹层板进行替代设计后，前端壁结构分别减重29.3%、32.5%、35.6%；相比于传统上层建筑整体结构，三种铝质夹层板分别减重2.1%、2.3%、2.5%。该上层建筑结构为纵骨架式结构，为保持上层建筑强度、刚度特性一致，夹层板上层建筑各前端壁中铝质夹层板布置方向为纵向布置。

2.2 上层建筑结构强度有限元分析

2.2.1 有限元模型

利用有限元分析软件ABAQUS建立有限元模型，甲板板、四周围壁板以及强横梁、纵桁、强扶墙材的腹板等均采用shell单元模拟，单元类型为S4R。钢材材料选取Q235A钢，弹性模量取E= 210 GPa，泊松比μ= 0.32；铝合金材料弹性模量取E= 63.82 GPa，泊松比均 。静载荷作用在该上层建筑01～05前端壁外壁上，因此在划分网格时对前端壁结构进行网格细化，网格尺寸取50 mm，上层建筑其他结构网格尺寸取200 mm，根据上层建筑舾装特点，在计算时对上层建筑底部进行四周刚性固定约束，有限元模型如图4所示。

图4 有限元模型

针对应用于船体上层建筑前端壁的加筋板及夹层板，根据CCS“海规”要求，上层建筑端壁结构强度计算载荷F=ρgh，载荷施加于前端壁外壁面板上。计算压头h=αδ（βλ-γ） ，且hmin= 0.005L+ 1.25，计算压头数值参见下页表7。

经计算hmin= 2.35 m，而从表7中可见，01～05前端壁的计算压头h值均不满足最小值要求。因此，选取计算压头hmin，则计算载荷F= 23.5 kPa。

本项目对前端壁结构进行网格细化。因此，计算载荷23.5 kPa下，前端壁结构的许用应力计算公

表7 上层建筑前端壁压头计算

式见式（3）：

式中：K为材料系数；λy为安全因子，对于端壁结构，λy= 0.8。对于Q235钢而言，材料系数K= 1。因此传统端壁结构的许用应力［σ］= 285.6 MPa。

本文所选取的铝质夹层板，材料系数K计算公式见式（4）：

式中：σp0.2指非比例伸长应力，经试验测算得σp0.2= 175 MPa，则K=1.343。因此，该上层建筑铝质前端壁结构的许用应力［σ］= 0.8×357/1.343= 212.7 MPa。

2.2.2 计算结果及分析

传统上层建筑和铝质夹层上层建筑前端壁结构应力变形情况如图5-图8所示。

由图5-图8可以看出，在静载荷作用下，传统上层建筑结构变形主要集中在04～05前端壁上，最大变形出现在04前端壁上；Uc_100和Uc_80夹层板上层建筑结构变形主要发生在05前端壁处，Uc_60上层建筑变形主要发生在01前端壁处，这是因为Uc_60夹层板减重程度较大，01前端壁作为底层结构，受上层结构作用，从而产生更大变形；应力分布较为平均，最大应力位于04～05前端壁处，这是因为高层端壁结构上连接构件连接形式复杂，结构分布不均匀，因而容易造成应力集中现象。

图6 Uc_100型上层建筑不同区域结构响应情况

图8 Uc_60型上层建筑不同区域结构响应情况

传统上层建筑和夹层板上层建筑结构各层端壁最大应力及变形情况汇总于表8。

表8 计算结果汇总表

从表8中可以看出，在23.5 kPa均布静态载荷作用下，传统上层建筑前端壁结构最大变形为17.1 mm，Uc_100、Uc_80、Uc_60型三种铝质夹层板前端壁变形最大值分别为8.6 mm、11.7 mm、21.5 mm；Uc_100和Uc_80型铝质夹层板上层建筑前端壁结构最大应力分别为114.7 MPa和164.4 MPa，均未超过许用应力212.7 MPa。Uc_60型铝质夹层板前端壁结构中只有05前端壁结构超过许用应力；传统上层建筑前端壁结构最大应力244 MPa，未超过许用应力285.6 MPa。因此，为比较分析出力学性能最优的结构，参考式（1）和式（2），结合表8中结构变形和应力情况，取权重系数α= 0.3，β= 0.4，γ= 0.3 。计算传统上层建筑和三种铝质上建在质量、应力、变形因素影响下前端壁结构的多目标函数值，参见表9。

从表9中可以看出，Uc_100型铝质夹层板上层建筑中，01、03、04和05这四种前端壁的多目标函数均为最小值，且02前端壁目标函数值也仅仅略大于最小值。而目标函数越小，则证明在静载荷作用下的力学性能越好。因此，Uc_100型铝质夹层板上层建筑力学性能不仅优于传统加筋结构，还优于其他两种铝质上层建筑结构。这说明利用Uc_100型铝质夹层板替代传统上层建筑结构能够较好的满足结构在常规强度的要求，实现上层建筑的轻量化设计。

表9 传统前端壁和铝质夹层板前端壁结构的目标函数

3 结 语

本文根据某常规船上层建筑结构特点，对铝质夹层板结构型式和连接结构类型进行选择，根据最小质量原则对该上层建筑前端壁结构进行轻量化替代设计，并利用有限元软件进行静强度分析，主要结论如下：

（1）在铝质夹层板常规结构型式中，相比于I型、V型和U型夹层板，Uc型铝质夹层板具有更优的静力学性能；

（2）在铝质夹层板结构替代设计过程中，本文针对上层建筑结构特点，对连接结构型式进行设计，可为工程应用提供参考；

（3）基于三种Uc型夹层板开展上层建筑结构轻量化设计，得到初步设计方案，并对设计方案开展力学性能分析，基于计算结果建立多目标函数进行分析，证明铝质夹层板上层建筑可以有效减轻结构质量并提高结构强度。