钢铝混合结构烟囱设计介绍

周兆贺 张智军 李文

（广船国际技术中心、生产管理部）

0 前言

GOTLAND客滚船烟囱分段有三层甲板、约3000个零件，结构复杂，由于要考虑降低空船重量重心，设计方案做了从全钢质到全铝质（小范围钢）、一层钢两层铝，最终到钢铝混合结构的多次修改，结构设计复杂，周期较长。本文简要介绍该分段结构设计中的碰到的技术和工艺问题以及解决思路，以供铝合金船体结构的设计人员参考。

1 设计方案比选

烟囱分段原设计为全钢质结构（重量约107t），但因空船重量重心控制的要求，初步改为除FR99+400电梯围井前外全铝结构的方案（重量约46t），如图1所示。

图1 烟囱结构图(铝合金结构)

船检根据SOLASregulationII-2/11.4.1，“A类机器处所的顶盖和舱棚应为钢结构”，要求全铝结构的机舱围井壁板以及面向直升机平台的FR99.5壁板双面敷设防火绝缘，且需要得到挂旗国法规的豁免。和船检的沟通中得知即使将设计更改为“11甲及以下全钢质、11甲以上全铝质”，以减少铝质结构的范围，也需要满足这一要求。

平衡设计周期、绝缘要求、减重目标，结合舱室实际布置情况，如图2所示；修改结构方案调整为：机器处所以及电梯围井的边界采用钢质结构，其余结构为铝合金，如图3和图4所示，该方案得到船检的认可。该方案初步建模的分段重量为75t（不含复合材料）。

图2 烟囱舱室布置示意图

图3 烟囱结构布置示意图(钢铝混合)

图4 烟囱防火控制示意图

基于该方案进行规范计算，检查结构规格以及焊脚的最小规格要求，以最大限度控制分段重量。

2 钢铝边界范围的界定及设计

2.1 确定钢铝材质的使用区域

为了确定钢铝边界的范围，需要确定机器处所的范围，通过检查烟囱防火控制示意图，如图4所示，可知FR86～FR94之间的防火风闸将机器处所限制在10甲板以下，因而可以将11甲以下、FR86～FR94之间的围壁修改为铝质，以进一步减少结构重量和钢铝接头数量，如图5所示。

图5 调整后的结构布置示意图，注意云线内的调整

2.2 各层甲板和围壁的钢铝分界线的工艺设计

甲板和围壁上的钢铝分界线，初步方案是定在限界面投影线向外偏移100mm，可以最大限度地使用铝质结构，在此原则上还要考虑骨材和T梁的端肘板尺寸大多在300mm以下，如分隔后尺寸过小，会导致钢铝接头规格增多、布置困难，施工工艺性也会变差，因而要将端肘板完整地归入到钢质部分，分界线的设计从而使与围壁相连的小结构保持完整；同时分界线还要注意避开甲板或围壁开孔的角隅。同时，应注意钢铝接头都是直线型界面的，无法用于带角隅的拼板缝，因而会出现通过两个互相垂直的钢铝接头制成直角拼板缝的情形，此结构节点应取得船检同意。

2.2.1 11甲板钢铝分界线

需要考虑的结构和细节包括：甲板下骨材和T梁的端肘板、FR75～77左舷小风道的完整性、FR86～89以及FR90～94之间甲板开孔角隅、FR69～75之间/Y=2900右舷短围壁，最终确定的分界线，如图6所示。

图6 11甲板钢铝分界线示意图

图9 FR86围壁钢铝分界线示意图

表1 钢、铝质结构规范计算对比

表2 钢、铝质结构焊脚计算对比

2.2.2 12甲板钢铝分界线

需要考虑的结构和细节包括：甲板下骨材和T梁的端肘板、甲板开孔角隅；同时要注意甲板前部部分区域是上面机器处所房间的地板、FR63向后机舱限界面与外板之间距离很小，最终确定的分界线，如图7所示。

图7 12甲板钢铝分界线示意图

2.2.3 烟囱顶板钢铝分界线

需要考虑的结构和细节包括：甲板下骨材和T梁的端肘板、甲板开孔角隅；同时要注意甲板前部下方斜围壁分界线的一致性、FR86～87间Y=0短梁、FR63向后以及FR80～86间机舱限界面与外板之间距离很小，最终确定的分界线，如图8所示。

图8 烟囱顶板钢铝分界线示意图

2.2.4 各围壁的钢铝分界线

各层甲板下的围壁钢铝分界线基本与相交甲板上的分界线保持一致,如图9所示。

3 确定最小板厚、最小骨材以及铝合金结构的等强度替换

计算根据DNV规范PT.3/CH.1对上建/甲板室的要求进行，分别按载荷、对铝材的最小要求计算，取大值。规范对铝材无具体要求时，先按对钢材的最小要求再等强度替换为铝材计算。

铝板材选用EN515欧标5083H116系列，铝型材选用6082T6系列。

相对钢质结构的规范计算，铝质结构的规范计算对比，如表1。

4 焊脚计算

根据规范Pt.3/Ch.1/SEC.11/C103，以及铝焊材力学性能计算焊脚。相比钢质结构，对比如表2。

规范C103焊喉公式为

5 结束语

经过不同材料以及结构布置的优化、材质和焊脚计算并经建模后，GOTLAND烟囱分段重量从107吨降低为72吨，其位置为最上一层甲板，对于客滚船降低空船重量重心有较大作用，上述设计过程和思路供结构设计人员参考。