朱云翔

(海軍駐上海地區(qū)艦艇設計研究軍事代表室，上海200011)

船舶結構設計主要是在滿足總體設計要求下，綜合考慮安全性、適用性、整體性、工藝性和經濟性等因素，解決船體結構形式、構件尺度與連接等設計問題，保證船體具有恰當的強度和良好的技術經濟性能［1］。船舶結構設計主要有確定性設計方法和結構可靠性分析法兩大類。目前完全基于概率論的結構可靠性全概率的精確分析方法還存在諸多難點，因此確定性設計法是常規(guī)設計中所采用的主流方法。雖然在大型或非常規(guī)船型的船體結構設計中直接計算法已經越來越多用來輔助設計，但是方便快捷、高效率的規(guī)范設計法仍然被廣泛采用?？傮w設計總是希望船體結構盡可能輕。其中，上層建筑設計的強弱對船總體承載能力不起決定性作用，但對船體結構總重量和重心高度影響很大。而船舶上層建筑布局變化多端，且在結構連續(xù)性方面情況十分復雜，所以在上層建筑設計時，究竟選擇強力結構還是輕型結構，還需具體分析探討。

某型具有典型長上層建筑結構船舶，其主船體有三道連續(xù)甲板，前后貫通的長艏樓(01甲板)為強力甲板，02甲板(長度約為船長的53%)及以上甲板是兩舷不到舷邊的甲板室。為了減輕船體重量和降低船體重心的高度，在船中區(qū)域02甲板下設了三道橫向過道分斷該層長甲板室，使02甲板下的甲板室在船中區(qū)域長度不超過0.15倍船長，而02甲板縱向連續(xù)設置，其在過道頂部分當做彈性節(jié)頭，因此，01甲板以上都按照CCS《鋼質海船入級與建造規(guī)范》輕型上層建筑結構要求進行常規(guī)結構設計。該船在一次1萬多n mile航程的連續(xù)航行期間，遭遇十多次大風浪(最高11級陣風)，返港后檢查發(fā)現上層建筑結構有8處裂紋，均出現在橫向過道區(qū)域。分析其原因主要有兩方面:一是長上層建筑未按照強力上層建筑設計，而整個02甲板縱向骨架都連續(xù)，其受總縱彎曲影響而平均應力水平較高(平均應力水平約120 MPa，高于01甲板應力水平);二是甲板室之間的連接結構設計不當，橫向過道頂的縱向構件(短縱桁)與其前后甲板室頂縱向構件對齊，但短縱桁趾端未做軟化處理(見圖1)，應力集中情況較嚴重。產生較大的應力集中(單元合成應力最大達到342 MPa)。

圖1 過道頂短縱桁結構

為了解類似這樣不完全分斷的長甲板室對縱強度的影響，本文對若干船舶上層建筑的結構進行有限元分析。

1 長上層建筑結構設計分析

對上述船建立整體三維有限元模型見圖2，其縱向范圍約為75%船長，包含了該區(qū)域內主船體和上層建筑所有主要船體結構，網格沿船殼橫向按縱骨間距(650 mm左右)或類似的間距劃分。通過該模型得出各甲板的總體平均應力水平，同時也可以為局部的細網格有限元強度分析提供準確的邊界條件。

圖2 整體有限元模型

計算得到01甲板最弱剖面的平均正應力約為106 MPa，其正應力分布云圖見圖3。

圖3 01甲板應力云圖

02甲板最弱剖面的平均正應力約為120 MPa，其正應力分布云圖見圖4。

圖4 02甲板應力云圖

由此可見，02甲板應力水平比作為強力甲板設計的01甲板高，其相當程度地參與總強度。按式(1)分析其參與總強度的程度。

式中:η——上層建筑參與船體總縱彎曲的有效程度;

σ0——不考慮上層建筑時強力甲板的應力，MPa;

σp——強力甲板的實際計算應力，MPa;

σ100——上層建筑100%有效時的強力甲板應力，MPa。

從圖2的整體有限元模型中去除01甲板以上上層建筑結構后，計算得到01甲板最弱剖面的平均正應力約為129 MPa，其正應力分布云圖見圖5。

圖5 不考慮上層建筑時01甲板應力

該計算結果與采用規(guī)范的彎和船體梁剖面模數計算的結果是一致的。將圖2的整體有限元模型中02甲板下的外圍壁在橫向過道處相連，計算得到02甲板完全參與總縱強度后01甲板最弱剖面的平均正應力約為66 MPa，其正應力分布云圖見圖6。

圖6 02甲板完全參與總強度時01甲板應力

因此，可以計算得到01甲板以上上層建筑參與總縱彎曲的有效程度約為36%。

若考慮01甲板以上上層建筑有效分斷，既將三個橫向過道頂部的02甲板分斷(或設計為符合規(guī)范要求的伸縮接頭)，可計算得到01甲板最弱剖面的平均正應力約為120 MPa，其正應力分布云圖見圖7，主船體變形圖見圖8。

圖7 02甲板分斷時01甲板應力

圖8 02甲板分斷時主船體變形

可見，雖然01甲板以上甲板室被橫向過道分斷，上層建筑對總剖面模數貢獻有限，但由于02甲板的連續(xù)，總縱彎曲最大應力位置由01甲板上移到了02甲板。因此，02甲板的結構設計需要謹慎對待，特別要注意結構的連續(xù)性。該船上層建筑出現的8處結構裂紋正好都出現在橫向過道頂部區(qū)域的02甲板構件。對3個橫向過道區(qū)域的有限元模型進行網格細化，細網格有限元模型(見圖9)的單元大小約為50 mm×50 mm，計算得到圖1所示的橫向過道頂部短縱桁端部單元中心合成應力約為342 MPa(許用應力為352.5 MPa)。

圖9 局部細化網格模型

為了進一步分析研究，對6型具有長度超過0.15倍船長的上層建筑且按輕型結構設計的船體結構設計情況進行了分析，并選擇其中的3型船進行有限元分析。圖10為船型1的有限元模型，其02甲板按強力甲板設計，03甲板下甲板室長約為0.50倍船長，采用橫骨架式輕型結構。計算結果，其01甲板、02甲板和03甲板平均應力水平分別約為96、154和76 MPa，符合主船體與上層建筑的應力分布規(guī)律，03甲板開口角隅細網格計算的合成應力約為211 MPa。

圖10 船型1有限元模型

圖11 為船型2有限元模型，其01甲板為強力甲板，02甲板和03甲板下甲板室長分別約為0.72倍和0.41倍船長，采用橫骨架式輕型結構，分別設有一道和兩道橫向過道結構。計算結果為02甲板84 MPa，02甲板寬度縮小，過度處細網格計算的合成應力約為150 MPa。

圖11 船型2有限元模型

圖12 為船型3有限元模型，其01甲板為強力甲板，02甲板下有3個圍壁獨立的甲板室，長度分別達到0.32或0.20倍船長，之間走道相隔，甲板相連，且在甲板寬度上有階梯形縮進。計算結果為01甲板和02甲板平均應力水平分別約為81和99 MPa。

圖12 船型3有限元模型

圖13 所示的02甲板凹陷處細網格計算的合成應力約為367 MPa。

圖13 局部細化模型

由以上分析可知，長上層建筑若未采取充分有效的措施使其盡可能少地參與總強度，則會產生比主船體強力甲板高的應力水平，在此情況下一些結構連續(xù)不佳部位的應力集中情況就有可能十分嚴重，必須予以高度重視。

2 長上層建筑結構設計要點

一般來說，為了充分利用船體材料，對于在船中區(qū)域長度超過0.15倍船長，且不小于本身高度6倍的長上層建筑，宜設計為強力上層建筑。如強力上層建筑參與總縱強度程度較高，則可將其作為船體梁上翼板——強力甲板設計。橋樓式(甲板延伸至兩舷)長上層建筑必須設計為強力結構。

強力上層建筑，除滿足局部強度外，還需要滿足總縱強度要求，其甲板和側壁骨架形式應盡可能采用縱骨架式，所有縱向構件應盡可能保持連續(xù)，側壁與下方甲板縱壁或外板不重合時，應在下方甲板對應設置縱向桁材。強力上層建筑應具有適當的剛度使之能與主船體保持有效的同向彎曲，其設計應重點關注參與總縱強度的有效度問題和連接與過渡部位的應力集中問題，并據此合理優(yōu)化主船體與強力上層建筑的材料分配［2］。

可采用梁理論與有限元方法進行上層建筑有效度計算，并校核主船體與強力上層建筑的彎曲應力水平。強力上層建筑的總強度應力衡準和穩(wěn)定性要求應與主船體一致。在設計早期階段，上層建筑參與總縱強度有效程度可參考與總體布局形式相近的母型船或按式(2)進行估算，進而通過式(3)估計上層建筑的平均應力水平。

式中:ηx——上層建筑平均應力有效度系數;

l——上層建筑長度，m;

x——計算剖面距上層建筑端部距離，m。

其中:k——包含上層建筑的船體結構剛度系數;

F，f——計算剖面處主船體和上層建筑的縱向有效構件總面積，cm2;

I0，i0——計算剖面處主船體和上層建筑的自身面積慣性矩，cm2·m2;

i1——上層建筑對主船體中和軸面積慣性矩，cm2·m2。

為了控制重量或重心高度，長上層建筑可以采用伸縮接頭等形式進行分割，從而設計成輕型上層建筑結構。如果長上層建筑側壁下面沒有位置對應的甲板下剛性構件如縱壁、外板等支承，且支撐在不多于2個剛性構件上，其將與主船體產生反向彎曲變形，也可以設計為輕型結構。當上層建筑采用與主船體不同且彈性模數較低的材料如鋁合金或復合材料等，可以視作輕型上層建筑。

輕型上層建筑的甲板及側壁宜采用橫骨架式結構，主要按照局部強度要求進行設計，但也要考慮連接與過渡部位的應力集中問題。

采用伸縮接頭分斷長上層建筑必須保證接頭前后的上層建筑結構之間有足夠的縱向移動間隙。船樓式上層建筑不宜設置伸縮接頭。伸縮接頭宜設置在對穿通道內，但圖2中分斷上層建筑的橫向過道，其甲板及其縱向構件連續(xù)，不能視為有效的伸縮接頭。伸縮接頭距強力甲板大開口角隅一般不宜小于甲板室高度，兩側壁板及甲板板的伸縮接頭應在同一平面內，不宜錯位。伸縮接頭以單層設置為宜。當有充分依據，也可多層設置伸縮接頭。

應根據被伸縮接頭分隔的各段上層建筑與船體連接情況，分析其是與主船體同向或反向彎曲，對應選擇適當的伸縮接頭類型，具體結構形式可采用波形板式接頭或滑動式接頭［3］。

強力上層建筑前后端壁處在船中0.5L范圍內時，應盡可能與主船體橫艙壁對齊，否則應在下方對應設置強橫梁或支柱等。船樓端部外板應延長到端壁以外，當延伸長度不受限制時，可采用如圖14所示的橢圓弧，長軸a=1.5h，短軸b=h，此時，應力集中系數不超過1.85;當上層建筑高度較大，而弧線長度和高度受到限制時，應力集中系數可按式(4)計算。過渡區(qū)的外板和附近的甲板、舷頂列板應作適當加強［4］。

圖14 船樓端部外板過渡

船中0.5L范圍內的長甲板室端壁與側壁應采用圓弧連接，圓弧半徑可按式(5)計算。當不能采用圓弧連接時，應采用鉚接或其它減少應力集中措施。

式中:R——圓弧半徑，m，且0.5h＜R≤1.4 m;

l——船中0.5L范圍內長甲板室的長度，m;

b——甲板室端部寬度，m。

長上層建筑未設計有效的伸縮接頭，且未按強力上層建筑進行結構設計時，其平均應力水平通常較高，橫向對穿通道等部位易產生較大應力集中，因此應注意通道前后結構的連續(xù)性。通道側壁應盡可能連續(xù)，否則應采用盡量高的縱桁連接，端部圓弧放大。圖1的縱桁端部節(jié)點不可取。

對于布局復雜的強力上層建筑和未按強力結構設計的長甲板室，建議采用有限元法進行總強度和局部強度分析?？刹捎冒P注的整個長上層建筑的中部艙段有限元模型，長度方向應自上層建筑端部向外延伸至附近主橫艙壁，延伸距離不小于2h。進行總強度和有效度分析時，建議以普通骨材間距為基本單元尺寸。在此基礎上，對關鍵節(jié)點部位、有明顯應力集中部位或局部高應力區(qū)域，應進行細化網格有限元分析，細化網格區(qū)域內的單元尺寸應為普通骨材間距的1/10，但不大于50 mm×50 mm，也不必小于t×t(t為板材厚度)。細化網格有限元許用應力為1.7σs(不鄰近焊縫處)或1.5σs(鄰近焊縫處)。

3 結論

經驗表明，累積性的結構損傷多數出現在上層建筑中，而上層建筑結構設計很大程度受制于總體性能與布置要求，為了獲得更好的使用效能，總體一般希望能采用輕型結構設計，以有限元為基礎的直接計算法為此提供了有力的手段?？偨Y前文分析結果，建議在設計中注意以下幾點。

1)關注長上層建筑參與總強度的有效度問題，當長上層建筑較大程度參與總強度時，必須按照強力上層建筑設計。

2)如果長上層建筑按照輕型結構設計，應該采用有效措施使上層建筑不參與總強度。一般應采用完全斷開的彈性接頭形式，并且使斷開后的上層建筑長度等滿足輕型上層建筑條件。如果采用其它方式，應有足夠的證據證明其有效性。如果采用不完全斷開的形式，如側壁間斷的通道布置等，則必須校核上層建筑參與總強度后的應力水平，并使其滿足規(guī)范要求。

3)如果長上層建筑按照強力上層建筑設計，應采用有限元法或其它方法進行上層建筑有效度計算，并校核其上層建筑彎曲應力水平，使其滿足規(guī)范要求。強力上層建筑應盡可能采用縱骨架式，所有縱向構件應盡量保持其連續(xù)性，并注意節(jié)點的良好過渡。

［1］中國船舶工業(yè)總公司.船舶設計實用手冊結構分冊［S］.北京:國防工業(yè)出版社，2000.

［2］王?；?，伍友軍，王德禹.強力上層建筑的有效度極其設計［J］.中國造船，2006，47(3):22-29.

［3］國家軍用標準.艦船通用規(guī)范1組:船體結構［S］.北京:總裝備部軍標出版發(fā)行部，2000.

［4］中國船級社.鋼質海船入級規(guī)范［S］.北京:人民交通出版社，2012.