王 果，何沁園，王志斌，王自力，劉 昆

(1.中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院，上海 200011；2.江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

0 引 言

折疊式夾層板重量輕、比強(qiáng)高、抗沖擊性能優(yōu)良，具有防振、防火、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，結(jié)構(gòu)焊縫少，預(yù)制程度高，適合模塊化制造。目前已作為輕型結(jié)構(gòu)在航空、航天、飛機(jī)、汽車(chē)、橋梁等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1-4]。夾層板在船舶結(jié)構(gòu)中使用不僅可以有效解決常規(guī)船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的瓶頸問(wèn)題，同時(shí)也可以提高艦船抗沖擊性能，提高艦船設(shè)計(jì)水平。因此，近些年來(lái)各國(guó)海軍、船級(jí)社、科研院所等已陸續(xù)開(kāi)展了夾層板制造、性能、設(shè)計(jì)等方面的研究工作[1-3,5-7]，目的在于設(shè)計(jì)出性能優(yōu)良、成本低廉、更可靠、更安全的船舶結(jié)構(gòu)。目前國(guó)內(nèi)外的學(xué)者對(duì)金屬基折疊式夾層板的研究更多地關(guān)注于夾層板本身的力學(xué)性能，研究對(duì)象更多側(cè)重于夾層板梁?jiǎn)卧?、板格單元[8-13]。但要實(shí)現(xiàn)夾層板在實(shí)際艦船中的應(yīng)用，除了夾層板本身力學(xué)性能的研究外，亟需解決夾層板與夾層板之間有效連接過(guò)渡的問(wèn)題。由于國(guó)外研究成果保密等原因，折疊式夾層板結(jié)構(gòu)實(shí)際制造加工、夾層板實(shí)船應(yīng)用方面公開(kāi)的研究成果及應(yīng)用實(shí)例相對(duì)較少[3,5,7,15]，因此在艦船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中如何解決夾層板連接問(wèn)題已經(jīng)成為一項(xiàng)迫在眉睫的工作。

本文基于多年來(lái)在夾層板方面取得的研究成果[8-9,12,16-18]，首先提出U型折疊式夾層板面內(nèi)連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則及方法，然后提出4種折疊式夾層板面內(nèi)連接結(jié)構(gòu)初步設(shè)計(jì)方案，并基于此開(kāi)展夾層板面內(nèi)連接結(jié)構(gòu)初步設(shè)計(jì)、優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，為折疊式夾層板在實(shí)際艦船結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用提供研究依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)。

1 夾層板連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則

夾層板連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)遵循以下基本原則：

1）連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的尺寸和連接對(duì)象的尺寸應(yīng)相互協(xié)調(diào)，避免出現(xiàn)結(jié)構(gòu)尺寸差距較大、尺寸不協(xié)調(diào)的情況；

2）連接結(jié)構(gòu)應(yīng)能夠保證連接對(duì)象之間的有效連接，即連接結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要實(shí)現(xiàn)將2個(gè)或多個(gè)連接對(duì)象連為一體的功能，應(yīng)能夠有效傳遞連接區(qū)域的載荷，不降低連接對(duì)象的強(qiáng)度和剛度；

3）連接結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)最大限度地降低連接部位的應(yīng)力集中程度，保證連接部位應(yīng)力有效過(guò)渡，避免因連接結(jié)構(gòu)的存在而出現(xiàn)較明顯的應(yīng)力突變、變形不協(xié)調(diào)；

4）連接結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)保證結(jié)構(gòu)整體受到破壞載荷作用時(shí)，連接結(jié)構(gòu)的失效破壞不早于連接對(duì)象；

5）連接結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)在滿(mǎn)足連接作用及強(qiáng)度、剛度、應(yīng)力集中等要求的前提下，根據(jù)最小重量的原則開(kāi)展結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)；

6）連接結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)最大限度地減少焊縫數(shù)目、提高預(yù)制程度、降低施工難度及制造成本；

7）連接結(jié)構(gòu)介于連接對(duì)象之間，不影響結(jié)構(gòu)平整度，避免較大程度地影響艙容。

2 面內(nèi)連接結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)

根據(jù)連接對(duì)象的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，開(kāi)展面內(nèi)連接結(jié)構(gòu)形式多方案概念設(shè)計(jì)，應(yīng)嚴(yán)格遵循設(shè)計(jì)原則中第6和第7兩條工藝原則，使連接結(jié)構(gòu)焊縫數(shù)目少、預(yù)制程度高、制造工藝簡(jiǎn)單，盡量降低裝配作業(yè)難度、復(fù)雜程度、誤差要求、結(jié)構(gòu)變形，減少裝配作業(yè)后結(jié)構(gòu)邊界處理的工作難度，提高結(jié)構(gòu)平整度。本文以U型折疊式夾層板（簡(jiǎn)稱(chēng)U_50_A）為對(duì)象開(kāi)展夾層板面內(nèi)連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法研究，結(jié)構(gòu)尺寸如圖1所示。其中L=1.95 m；B=2 m；hc=50 mm；t=1 mm（上面板厚度tuf、夾芯層厚度tc、下面板厚度tlf均為1 mm）；夾層板單元中面板板格短邊寬度a=34 mm，面板板格長(zhǎng)邊寬度b=66 mm；質(zhì)量m=113.19 kg。定義夾芯單元的長(zhǎng)度方向即焊縫方向?yàn)榭v向，垂直于焊縫的方向?yàn)闄M向。

本文提出4種夾層板面內(nèi)橫向連接結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)方案如下：

PCCTT01，連接結(jié)構(gòu)為上、下2條扁鋼，分別通過(guò)搭接焊接工藝連接于兩夾層板的上、下面板，如圖2（a）所示；扁鋼寬度不宜太大，但應(yīng)能夠保證上、下面板的連接并有效傳遞載荷，詳細(xì)的裝配示意圖如圖2（b）所示。

圖2 PCCTT01概念設(shè)計(jì)方案Fig.2 The concept design of PCCTT01

PCCTT02，連接結(jié)構(gòu)為嵌入在兩夾層板內(nèi)部的一根矩形鋼，如圖3（a）所示。矩形鋼截面高度應(yīng)能保證其正好嵌入夾層板內(nèi)部，截面寬度應(yīng)不明顯影響夾芯結(jié)構(gòu)壓皺變形，詳細(xì)的裝配示意圖見(jiàn)圖3（b）所示。

PCCTT03，連接結(jié)構(gòu)為1根對(duì)稱(chēng)嵌入于兩夾層板內(nèi)部的圓鋼，如圖4（a）所示。具體裝配示意圖如圖4（b）所示。

PCCTT04，連接結(jié)構(gòu)仍為1根工字鋼，與PCCTT06方案的區(qū)別在于工字鋼上、下面板位于夾層板上、下面板外側(cè)，即夾層板嵌入在工字鋼上、下面板之間，便于施焊操作，如圖5（a）所示。具體裝配示意圖如圖5（b）所示。

3 面內(nèi)連接結(jié)構(gòu)初步設(shè)計(jì)

基于面內(nèi)連接結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)方案，開(kāi)展連接結(jié)構(gòu)尺寸初步設(shè)計(jì)。在綜合考慮連接對(duì)象結(jié)構(gòu)尺寸、連接型式、結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)性、艙容影響程度等多方面因素的基礎(chǔ)上，基于概念設(shè)計(jì)的多方案確定連接結(jié)構(gòu)尺寸的初步設(shè)計(jì)方案，并通過(guò)靜強(qiáng)度和穩(wěn)定性的基本力學(xué)性能分析確定各初步設(shè)計(jì)方案的合理性。

3.1 面內(nèi)連接結(jié)構(gòu)尺寸初步設(shè)計(jì)方案

根據(jù)U型折疊式夾層板的結(jié)構(gòu)尺寸，遵循連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則開(kāi)展面內(nèi)連接結(jié)構(gòu)尺寸初步設(shè)計(jì)，4種夾層板面內(nèi)連接結(jié)構(gòu)的初步設(shè)計(jì)方案如圖6所示。

3.2 面內(nèi)連接結(jié)構(gòu)力學(xué)性能分析

本文將面內(nèi)連接結(jié)構(gòu)和夾層板組成的結(jié)構(gòu)稱(chēng)為夾層船體結(jié)構(gòu)。夾層船體結(jié)構(gòu)表現(xiàn)的力學(xué)性能與單一夾層板結(jié)構(gòu)相同，主要包括：靜強(qiáng)度；橫向穩(wěn)定性；縱向穩(wěn)定性；橫向極限抗壓能力；縱向極限抗壓能力；橫向極限抗彎能力；縱向極限抗彎能力。基于本文作者前期研究成果[18]，利用大型非線(xiàn)性軟件Abaqus分別研究各面內(nèi)橫向連接結(jié)構(gòu)的靜強(qiáng)度、穩(wěn)定性及極限強(qiáng)度等各項(xiàng)力學(xué)性能，并與同尺寸的夾層板結(jié)構(gòu)（U_50_A）進(jìn)行對(duì)比，確定各連接結(jié)構(gòu)初步設(shè)計(jì)方案的合理性。

3.2.1 靜強(qiáng)度

夾層船體結(jié)構(gòu)與同尺寸夾層板結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度的計(jì)算結(jié)果對(duì)比如表1所示。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可以看出：

4個(gè)夾層船體結(jié)構(gòu)與同尺寸夾層板結(jié)構(gòu)的應(yīng)力值及變形量基本相當(dāng)，最大應(yīng)力均在最外層夾芯單元與面板連接處，結(jié)構(gòu)最大變形的位置有所變化，連接結(jié)構(gòu)的存在提高了夾層船體結(jié)構(gòu)中間區(qū)域的剛度，使得結(jié)構(gòu)最大變形出現(xiàn)在連接對(duì)象的中間區(qū)域，而不是出現(xiàn)在夾層船體結(jié)構(gòu)整體的中心區(qū)域，滿(mǎn)足實(shí)際情況。夾層船體結(jié)構(gòu)連接區(qū)域應(yīng)力僅有13 MPa左右，連接結(jié)構(gòu)應(yīng)力僅為10 MPa左右，連接結(jié)構(gòu)的存在使得連接對(duì)象之間應(yīng)力得到較好的過(guò)渡，連接區(qū)域夾層板結(jié)構(gòu)應(yīng)力與連接結(jié)構(gòu)應(yīng)力相當(dāng)，并未出現(xiàn)明顯應(yīng)力集中現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)整體變形協(xié)調(diào)，4種連接結(jié)構(gòu)初步設(shè)計(jì)方案合理。

圖3 PCCTT02概念設(shè)計(jì)方案Fig.3 The concept design of PCCTT02

圖4 PCCTT03概念設(shè)計(jì)方案Fig.4 The concept design of PCCTT03

圖5 PCCTT04概念設(shè)計(jì)方案Fig.5 The concept design of PCCTT04

圖6 夾層板面內(nèi)橫向連接結(jié)構(gòu)初步設(shè)計(jì)方案Fig.6 The preliminary design of transverse connection in plane

3.2.2 穩(wěn)定性

夾層船體結(jié)構(gòu)橫向、縱向1階屈曲模態(tài)如圖7所示。表2為夾層板及夾層船體結(jié)構(gòu)1階屈曲模態(tài)所對(duì)應(yīng)的橫向、縱向的臨界力。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可以看出：夾層船體結(jié)構(gòu)橫向、縱向屈曲模態(tài)結(jié)果合理，與同尺寸夾層板結(jié)構(gòu)進(jìn)行相比，橫向、縱向臨界力有一定程度的變化。其中PCCTT02的橫向臨界力降低比較多，其他3種方案橫向臨界力影響不大。4種夾層船體結(jié)構(gòu)縱向臨界力相當(dāng)，與同尺寸夾層板結(jié)構(gòu)相比都有所降低。

從面內(nèi)連接結(jié)構(gòu)初步設(shè)計(jì)方案的靜強(qiáng)度和穩(wěn)定性的基本力學(xué)性能分析結(jié)果可以看出，4種夾層板面內(nèi)連接結(jié)構(gòu)的初步設(shè)計(jì)方案合理可行，4種夾層船體結(jié)構(gòu)的變形、應(yīng)力分布、橫向和縱向屈曲模態(tài)合理，變形和應(yīng)力指標(biāo)均與同尺寸夾層板結(jié)構(gòu)相當(dāng)，橫向和縱向臨界力與同尺寸夾層板結(jié)構(gòu)相比差異不同，因此各夾層板面內(nèi)連接結(jié)構(gòu)還需進(jìn)一步優(yōu)化確定最優(yōu)方案。

表1 靜強(qiáng)度計(jì)算變形、應(yīng)力云圖結(jié)果對(duì)比Tab.1 The deformation and stress graphs of static strength results

圖7 夾層船體結(jié)構(gòu)（PCCTT01）1階屈曲模態(tài)Fig.7 The buckling mode of sandwich panel

4 面內(nèi)連接結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)

基于面內(nèi)連接結(jié)構(gòu)的初步設(shè)計(jì)方案，選取結(jié)構(gòu)尺寸中對(duì)力學(xué)性能影響較大的主要參數(shù)作為變量，開(kāi)展面內(nèi)連接結(jié)構(gòu)多方案尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)?；跀?shù)值分析方法，依托結(jié)構(gòu)重量、靜強(qiáng)度、穩(wěn)定性等多個(gè)指標(biāo)，采用優(yōu)化方法開(kāi)展綜合評(píng)估，確定各連接結(jié)構(gòu)的尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

表2 各結(jié)構(gòu)一階屈曲模態(tài)對(duì)應(yīng)的臨界力Tab.2 The critical force of buckling mode of every structure

4.1 面內(nèi)連接結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

基于面內(nèi)連接結(jié)構(gòu)尺寸初步設(shè)計(jì)方案，僅考慮連接結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)對(duì)夾層船體結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響，對(duì)各結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)中對(duì)力學(xué)性能影響較大的參數(shù)各選取3個(gè)水平組合作為尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。具體尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)方案及重量指標(biāo)如表3所示。

4.2 靜強(qiáng)度

4種面內(nèi)橫向連接結(jié)構(gòu)各尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)方案對(duì)應(yīng)的靜強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果如表4所示?？梢钥闯?，各夾層船體結(jié)構(gòu)不同的結(jié)構(gòu)尺寸方案對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)應(yīng)力1和應(yīng)力2均有一定的差別，即連接結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)夾層船體結(jié)構(gòu)的靜強(qiáng)度會(huì)產(chǎn)生一定程度的影響，因此結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化分析中靜強(qiáng)度的應(yīng)力值、變形量可作為一個(gè)重要的評(píng)判指標(biāo)。

表3 面內(nèi)連接結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)方案Tab.3 The size optimization design of connection in plane

表4 夾層板面內(nèi)橫向連接結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果匯總表Tab.4 The summary of static strength results of transverse connection in plane

4.3 穩(wěn)定性

表5為橫向連接結(jié)構(gòu)各設(shè)計(jì)方案對(duì)應(yīng)的夾層船體結(jié)構(gòu)橫向、縱向臨界力?？梢钥吹剑幻鎯?nèi)連接結(jié)構(gòu)不同尺寸設(shè)計(jì)方案對(duì)夾層船體結(jié)構(gòu)臨界力有一定的影響，部分結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響較大；PCCTT02所有方案對(duì)應(yīng)的夾層船體結(jié)構(gòu)橫向臨界力都較小，說(shuō)明該面內(nèi)連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案本身的橫向穩(wěn)定性比較差，不適宜用于主要承受橫向軸向壓力載荷的結(jié)構(gòu)區(qū)域，但該結(jié)構(gòu)能夠較好地保證結(jié)構(gòu)內(nèi)外表面的平整度；PCCTT03，PCCTT04所有結(jié)構(gòu)尺寸方案對(duì)應(yīng)的夾層船體結(jié)構(gòu)橫向臨界力大小基本不變。

4.4 面內(nèi)連接結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化

基于結(jié)構(gòu)重量、靜強(qiáng)度應(yīng)力值和變形量、橫向和縱向臨界力等基本的性能指標(biāo)，采用綜合評(píng)分優(yōu)化方法篩選各面內(nèi)連接結(jié)構(gòu)的尺寸優(yōu)化方案。其中綜合評(píng)分法是對(duì)多指標(biāo)一一測(cè)試后，按照具體情況確定評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)這些指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)分，將多指標(biāo)轉(zhuǎn)化為單指標(biāo)，從而得到多指標(biāo)試驗(yàn)的結(jié)論[19]。

首先通過(guò)式（1）將結(jié)構(gòu)重量、應(yīng)力、變形、橫向臨界力、縱向臨界力的計(jì)算結(jié)果轉(zhuǎn)化為各自的隸屬度：

然后根據(jù)各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)重要性的不同，確定各項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)，然后根據(jù)式（2）采用加權(quán)求和得到基于結(jié)構(gòu)重量、靜強(qiáng)度及穩(wěn)定性的綜合性能指標(biāo)為：

表5 各面內(nèi)橫向連接結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的橫向、縱向臨界力Tab.5 The critical force of every transverse connection in plane

應(yīng)用式（1）和式（3）對(duì)各尺寸優(yōu)化方案對(duì)應(yīng)的重量、應(yīng)力、變形、橫向臨界力、縱向臨界力的結(jié)果指標(biāo)隸屬度計(jì)算，并采用式（2）計(jì)算各面內(nèi)連接結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化方案的綜合性能指標(biāo)F1。具體數(shù)據(jù)結(jié)果如表6～表9所列。

根據(jù)表6～表9的計(jì)算結(jié)果整理得出各面內(nèi)連接結(jié)構(gòu)的最優(yōu)尺寸設(shè)計(jì)方案及相應(yīng)應(yīng)力、變形云圖匯總?cè)绫?0所列。

5 面內(nèi)連接結(jié)構(gòu)形式優(yōu)化設(shè)計(jì)

在面內(nèi)連接結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，針對(duì)各面內(nèi)連接結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化方案開(kāi)展連接結(jié)構(gòu)形式優(yōu)化設(shè)計(jì)，評(píng)估各連接結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化方案的極限承載、抗彎能力，并基于重量、應(yīng)力、應(yīng)變、橫向穩(wěn)定性、橫向極限承載能力、橫向極限抗彎能力、縱向穩(wěn)定性、縱向極限承載能力、縱向極限抗彎能力等多個(gè)性能指標(biāo)，采用優(yōu)化算法進(jìn)行連接結(jié)構(gòu)形式的綜合評(píng)估，確定最優(yōu)的連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。

表6 PCCTT01對(duì)應(yīng)的夾層船體結(jié)構(gòu)綜合性能指標(biāo)Tab.6 The comprehensive property index of PCCTT01

表7 PCCTT02對(duì)應(yīng)的夾層船體結(jié)構(gòu)綜合性能指標(biāo)Tab.7 The comprehensive property index of PCCTT02

表8 PCCTT03對(duì)應(yīng)的夾層船體結(jié)構(gòu)綜合性能指標(biāo)Tab.8 The comprehensive property index of PCCTT03

表9 PCCTT04對(duì)應(yīng)的夾層船體結(jié)構(gòu)綜合性能指標(biāo)Tab.9 The comprehensive property index of PCCTT04

5.1 極限強(qiáng)度

對(duì)5.4節(jié)中綜合評(píng)估優(yōu)選出的各面內(nèi)連接結(jié)構(gòu)的尺寸優(yōu)化方案PCCTT01-8，PCCTT02-6，PCCTT03-4，PCCTT04-8進(jìn)行橫向、縱向極限承載能力及極限抗彎能力分析。

各面內(nèi)橫向連接結(jié)構(gòu)的計(jì)算結(jié)果與同尺寸的夾層板結(jié)構(gòu)對(duì)比研究，各連接結(jié)構(gòu)的夾層船體結(jié)構(gòu)橫向、縱向極限承載和抗彎能力對(duì)應(yīng)載荷-位移曲線(xiàn)和彎矩-曲率曲線(xiàn)如圖8和圖9所示，對(duì)應(yīng)的極限狀態(tài)的位移（曲率）和極限載荷（彎矩）如表11所示。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可以看出，采用夾層板面內(nèi)橫向連接結(jié)構(gòu)的夾層船體結(jié)構(gòu)橫向極限承載能力、極限抗彎能力與同尺寸夾層板結(jié)構(gòu)相當(dāng)；而且前者的縱向極限承載能力、極限抗彎能力均比后者大，主要原因在于沿縱向布置的橫向連接結(jié)構(gòu)提高增加了結(jié)構(gòu)縱向的極限強(qiáng)度。

5.2 面內(nèi)連接結(jié)構(gòu)形式優(yōu)化

綜合考慮結(jié)構(gòu)重量、應(yīng)力、變形、臨界力、極限載荷、極限彎矩等因素，再次采用綜合評(píng)分法在4個(gè)尺寸優(yōu)化方案中優(yōu)選夾層板面內(nèi)連接結(jié)構(gòu)最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。其中綜合評(píng)分法計(jì)算的綜合性能指標(biāo)為：式中：，分別為夾層船體結(jié)構(gòu)橫向、縱向極限承載能力隸屬度；，分別為夾層船體結(jié)構(gòu)橫向、縱向極限抗彎能力隸屬度；，，，和為各無(wú)因次指數(shù)的權(quán)重系數(shù)，，選取。由此算出的綜合性能指標(biāo)越小，連接結(jié)構(gòu)的綜合性能越佳。

用式（1）、式（3）和式（5）計(jì)算處理各性能指標(biāo)的隸屬度，并通過(guò)式（4）計(jì)算綜合性能指標(biāo)F2，具體如表12所示。

表10 各面內(nèi)連接結(jié)構(gòu)最優(yōu)尺寸設(shè)計(jì)方案及應(yīng)力、變形云圖Tab.10 The optimal size design and stress and deformation graphs of connections in plane

圖8 夾層船體結(jié)構(gòu)橫向板條Fig.8 The transverse beam of sandwich ship structure

圖9 夾層船體結(jié)構(gòu)縱向板條Fig.9 The longitudinal beam of sandwich ship structure

表11 極限強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果匯總表Tab.11 The summary of ultimate strength results

根據(jù)表12中的綜合性能指標(biāo)可以看出，從結(jié)構(gòu)綜合性能上評(píng)判，PCCTT01-8，PCCTT04-8兩種方案性能基本相當(dāng)，從結(jié)構(gòu)重量、應(yīng)力、變形角度考慮后者占據(jù)優(yōu)勢(shì)，從結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、極限承載能力、極限抗彎能力角度考慮前者占有優(yōu)勢(shì)。4種橫向連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案中，結(jié)構(gòu)型式指標(biāo)最大的是PCCTT02-6方案，PCCTT04-8方案對(duì)應(yīng)的夾層船體結(jié)構(gòu)綜合性能指標(biāo)最小。

6 結(jié) 語(yǔ)

本文基于折疊式夾層板面內(nèi)連接結(jié)構(gòu)力學(xué)性能數(shù)值仿真分析技術(shù)，提出了面內(nèi)連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則，并系統(tǒng)研究了面內(nèi)橫向連接結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)、初步設(shè)計(jì)、尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)、形式優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，給出了最優(yōu)的夾層板面內(nèi)橫向連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。本文主要結(jié)論如下：

1）提出了夾層板連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則，可為夾層板連接結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

2）以U型折疊式夾層板為對(duì)象系統(tǒng)研究了夾層板面內(nèi)連接結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，為夾層板連接結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供技術(shù)支撐。具體包括：基于非力學(xué)性能的概念設(shè)計(jì)；確定初步設(shè)計(jì)方案并評(píng)估連接結(jié)構(gòu)力學(xué)性能；基于重量、靜強(qiáng)度、穩(wěn)定性等多個(gè)指標(biāo)采用綜合評(píng)分法優(yōu)化設(shè)計(jì)；基于極限承載能力的二次綜合評(píng)分法優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3）基于夾層板連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則和系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，U型折疊式夾層板結(jié)構(gòu)綜合性能優(yōu)秀的面內(nèi)連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案為PCCTT01-08，PCCTT04-08，推薦用于實(shí)際艦船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

表12 面內(nèi)連接結(jié)構(gòu)夾層船體結(jié)構(gòu)綜合性能指標(biāo)Tab.12 The comprehensive property index of transverse connections

4）基于夾層板連接結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法確定的U型折疊式夾層板面內(nèi)連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案具有較好的連接能力和足夠的剛度，能夠有效傳遞載荷，保證夾層船體結(jié)構(gòu)變形協(xié)調(diào)，不在連接區(qū)域產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象；采用面內(nèi)連接結(jié)構(gòu)的夾層船體結(jié)構(gòu)與同尺寸夾層板強(qiáng)度、剛度基本相當(dāng)，連接結(jié)構(gòu)具有足夠的強(qiáng)度；面內(nèi)橫向連接結(jié)構(gòu)增加了縱向穩(wěn)定性、極限強(qiáng)度，對(duì)橫向穩(wěn)定性、極限強(qiáng)度影響較小。

5）綜合評(píng)分方法中權(quán)重系數(shù)選取對(duì)結(jié)果會(huì)造成較大影響，合理的權(quán)重系數(shù)是決定綜合評(píng)分法結(jié)果優(yōu)劣的關(guān)鍵，對(duì)于實(shí)際工程問(wèn)題應(yīng)該根據(jù)具體工程背景選取合理的權(quán)重系數(shù)。船體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，船舶工作環(huán)境惡劣，施工的工藝、環(huán)境等都會(huì)影響結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，不同型式的連接結(jié)構(gòu)在船體結(jié)構(gòu)中應(yīng)用體現(xiàn)出的力學(xué)性能也不盡相同，因此除了綜合考慮力學(xué)性能、結(jié)構(gòu)重量外，還應(yīng)考慮工作環(huán)境及施工技術(shù)等指標(biāo)，綜合評(píng)估選取夾層板連接型式。