采用U型夹层板的船舶上层建筑设计及抗爆性能分析

宋 娜，张可成，赵辰水，柯 力，王加夏，刘 昆 *

(1.江苏科技大学 船舶与海洋工程学院，江苏 镇江 212003；2.上海船舶运输科学研究所，上海 200135)

0 引 言

随着船舶与海洋工程结构物大型化、复杂化和工作环境危险性大的发展趋势，以及对于安全要求的提高，对结构抗爆性能的要求也越来越高，促使结构设计水平进一步提升。采用传统的“板加筋”结构形式和设计方法，并不能显著提高船体特别是FPSO的结构性能，且由于结构质量不断增加，大大制约了总体设计水平的提升。国外先进的结构设计、应用实例和其他相关领域的成功经验表明，轻量化设计(即减轻结构质量、降低结构重心，同时满足强度、安全及功能性要求)是目前各类船舶与海洋工程结构物设计的共同目标。

轻量化设计主要是将新材料、新型结构形式引入船舶与海洋工程结构物的设计当中，以满足相关功能性(如抗爆、降噪、防火等)和质量要求。同时，根据具体要求解决设计建造过程中的各类技术问题，提出先进的加工制造工艺，在船舶与海洋工程领域实现应用[1-4]。

激光焊接夹层板由金属面板与折叠式夹芯层通过激光焊接而成，应用于船舶与海洋工程结构物设计可有效减轻质量、降低重心位置、提升船舶综合性能。激光焊接夹层板具有优越的减振降噪等性能，可增大支撑构件的跨度，减少支柱设置，提高空间布置的灵活性；其结构焊接变形小，可减少矫平工作及矫平材料使用量；此外还可减少构件数量、减小结构裸露面积。欧美等先进造船国家和地区开展了大量的研究[5-8]工作，取得了较多的研究成果，激光焊接夹层板已在舰船和豪华邮船等船舶上得到越来越广泛的应用。

本文以典型船舶上层建筑为研究对象，针对上层建筑前端壁结构进行U型夹层板结构设计，并通过有限元数值仿真，对比分析爆炸载荷作用下U型夹层板结构与普通加筋板结构的抗爆性能，为船舶轻量化设计提供依据。

1 结构设计及优越性分析

1.1 U型夹层板结构形式

夹层板设计的基本思路主要分为两种：(1)在保证U型夹层板结构与原设计结构质量相等且不影响原舱容的情况下，U型夹层板高度取加筋板腹板高度的50%～70%，提高结构抗爆性能；(2)在保证U型夹层板结构与原设计结构抗爆性能相当且舱容相等的情况下，实现结构减重。

本文以船体上层建筑端壁板架结构为研究对象，选取第一种设计思路，采用U型夹层板代替原有加筋板。如图1所示：U型夹层板与加筋板的长、宽相同，分别为5.775 m、4.4 m，加强筋间距s=825 mm，加强筋尺寸为HP 200 mm×10 mm(HP为球扁钢)，面板厚度t=12 mm；U型夹层板结构中，上面板厚度t1=4 mm，下面板厚度t2=4 mm，芯层厚度tc=2 mm，U型夹层板厚度hc=100 mm，夹芯单元长度w=100 mm，芯层与面板接触面宽a=30 mm。

图1 结构替代方案

1.2 上层建筑U型夹层板设计方案

为更好地评估U型夹层板结构的抗爆性能，便于在实际船舶上层建筑结构上推广应用，取某FPSO上层建筑第三层整体结构作为参考对象，采用抗爆性能优良的U型夹层板替代上层建筑前端壁板结构。U型夹层板与上、下层甲板以及侧围壁之间的连接结构如图2所示。板结构型宽48.9 m、长48.9 m、高3.2 m、加强筋尺寸为HP 200 mm×10 mm。按照上层建筑第三层前端壁结构尺寸设计的U型夹层板与加筋板的长、宽相同。

图2 连接结构

加筋板与U型夹层板结构的有限元模型如图3所示，采用壳单元建模，网格尺寸统一为25 mm，材料均为船用A级钢，弹性模量E=210 GPa，泊松比μ=0.3，屈服强度σy=235 MPa，失效应变取0.3。爆炸载荷采用超压峰值为0.5×105Pa、作用时间0.2 s的约束条件。采用Cowper-Symonds本构模型表征受应变率影响的材料在动态载荷作用下的应力-应变关系，计算公式[9]为

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图3 有限元模型

参照API规范[10]，以板架结构发生较大塑性变形时的载荷峰值作为设计载荷，施加超压峰值Fmax= 0.4 MPa的简化三角形爆炸载荷分别作用于两种结构表面，载荷作用时间[11]如图4所示，其中td为时间。U型夹层板与加筋板结构迎爆面均为上面板表面，两种板架结构四周均施加刚性固定约束。

图4 爆炸冲击载荷

2 抗爆性能分析

爆炸载荷作用下加筋板与U型夹层板结构损伤变形如图5～图9及表1所示。从计算结果可以看出，在两结构质量相当的前提下(U型夹层板端壁结构较原加筋板结构质量增加0.7%)，U型夹层板端壁结构的高应力、大变形区域的范围和程度都比原加筋板端壁结构小，其中最大变形由98.8 mm降低至5.3 mm，最大应力由271.1 MPa降低至186.1 MPa。此外，U型夹层板结构较加筋板结构发生塑性变形的范围及程度也有明显改善。

表1 结构响应情况

图10为加筋板与U型夹层板结构塑性变形局部云图。从图10看出，两种结构形式发生较大变形的区域均为前端壁延伸区域，其中加筋板最大变形区域为延伸区域端部板架中间，U型夹层板则为延伸区域板架顶部。U型夹层板云图显示的塑性变形区域大于加筋板。这是由于加筋板前端壁塑性变形量较大，导致后部的塑性变形在云图上的显示并不明显，而U型夹层板塑性变形量较小，因此塑性变形显示的区域也变大。同时，从损伤变形的量级也足以表明，U型夹层板结构前端壁的抗爆性能与加筋板结构相比具有明显的优越性，更加适合用于船舶上层建筑端壁结构，能有效抵抗爆炸冲击，保护舱室内人员及设备结构的安全。

图5 结构应力

图6 结构变形

图7 塑性应变

图8 加筋板前端壁吸能

图9 U型夹层板前端壁吸能

图10 局部结构损伤变形

3 结 论

以船舶典型上层建筑端壁板架结构为研究对象，利用非线性数值仿真技术分析了结构在典型爆炸载荷作用下的动态响应问题。设计U型夹层板结构，对比普通加筋板与U型夹层板的抗爆性能，并开展上层建筑前端壁结构抗爆性能有限元分析，分别对加筋板结构和U型夹层板结构构成的上层建筑前端壁的抗爆性能进行分析，得出以下结论：

(1)当质量相等时，爆炸载荷冲击作用下的U型夹层板抗爆性能优于传统加筋板，计算出的U型夹层板结构的损伤变形，包括板架中心变形、应力及塑性应变值均较加筋板结构更具优势。

(2)以质量相等为原则设计的U型夹层板上层建筑结构在爆炸载荷作用下的动态响应弱于加筋板结构，其应力水平下降了近30%，损失变形、塑性应变及吸能情况均得到改善，表明U型夹层板结构具有较为优良的抗爆性能。

(3)爆炸载荷作用下上层建筑结构的变形主要出现在前端壁延伸区域，该处结构后部缺少支撑构件，易发生较大变形从而吸收大量能量。与普通加筋板相比，U型夹层板构成的上层建筑前端壁结构在延伸区域的变形相对较小，主要变形位置由板架中部转移到板架顶部，且整体变形程度减弱，因此可以看出U型夹层板前端壁具有相对优越的抗爆能力。