鋼鋁混合結(jié)構(gòu)煙囪設(shè)計(jì)介紹

周兆賀 張智軍 李文

（廣船國(guó)際技術(shù)中心、生產(chǎn)管理部）

0 前言

GOTLAND客滾船煙囪分段有三層甲板、約3000個(gè)零件，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，由于要考慮降低空船重量重心，設(shè)計(jì)方案做了從全鋼質(zhì)到全鋁質(zhì)（小范圍鋼）、一層鋼兩層鋁，最終到鋼鋁混合結(jié)構(gòu)的多次修改，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜，周期較長(zhǎng)。本文簡(jiǎn)要介紹該分段結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的碰到的技術(shù)和工藝問題以及解決思路，以供鋁合金船體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)人員參考。

1 設(shè)計(jì)方案比選

煙囪分段原設(shè)計(jì)為全鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)（重量約107t），但因空船重量重心控制的要求，初步改為除FR99+400電梯圍井前外全鋁結(jié)構(gòu)的方案（重量約46t），如圖1所示。

圖1 煙囪結(jié)構(gòu)圖(鋁合金結(jié)構(gòu))

船檢根據(jù)SOLASregulationII-2/11.4.1，“A類機(jī)器處所的頂蓋和艙棚應(yīng)為鋼結(jié)構(gòu)”，要求全鋁結(jié)構(gòu)的機(jī)艙圍井壁板以及面向直升機(jī)平臺(tái)的FR99.5壁板雙面敷設(shè)防火絕緣，且需要得到掛旗國(guó)法規(guī)的豁免。和船檢的溝通中得知即使將設(shè)計(jì)更改為“11甲及以下全鋼質(zhì)、11甲以上全鋁質(zhì)”，以減少鋁質(zhì)結(jié)構(gòu)的范圍，也需要滿足這一要求。

平衡設(shè)計(jì)周期、絕緣要求、減重目標(biāo)，結(jié)合艙室實(shí)際布置情況，如圖2所示；修改結(jié)構(gòu)方案調(diào)整為：機(jī)器處所以及電梯圍井的邊界采用鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)，其余結(jié)構(gòu)為鋁合金，如圖3和圖4所示，該方案得到船檢的認(rèn)可。該方案初步建模的分段重量為75t（不含復(fù)合材料）。

圖2 煙囪艙室布置示意圖

圖3 煙囪結(jié)構(gòu)布置示意圖(鋼鋁混合)

圖4 煙囪防火控制示意圖

基于該方案進(jìn)行規(guī)范計(jì)算，檢查結(jié)構(gòu)規(guī)格以及焊腳的最小規(guī)格要求，以最大限度控制分段重量。

2 鋼鋁邊界范圍的界定及設(shè)計(jì)

2.1 確定鋼鋁材質(zhì)的使用區(qū)域

為了確定鋼鋁邊界的范圍，需要確定機(jī)器處所的范圍，通過檢查煙囪防火控制示意圖，如圖4所示，可知FR86～FR94之間的防火風(fēng)閘將機(jī)器處所限制在10甲板以下，因而可以將11甲以下、FR86～FR94之間的圍壁修改為鋁質(zhì)，以進(jìn)一步減少結(jié)構(gòu)重量和鋼鋁接頭數(shù)量，如圖5所示。

圖5 調(diào)整后的結(jié)構(gòu)布置示意圖，注意云線內(nèi)的調(diào)整

2.2 各層甲板和圍壁的鋼鋁分界線的工藝設(shè)計(jì)

甲板和圍壁上的鋼鋁分界線，初步方案是定在限界面投影線向外偏移100mm，可以最大限度地使用鋁質(zhì)結(jié)構(gòu)，在此原則上還要考慮骨材和T梁的端肘板尺寸大多在300mm以下，如分隔后尺寸過小，會(huì)導(dǎo)致鋼鋁接頭規(guī)格增多、布置困難，施工工藝性也會(huì)變差，因而要將端肘板完整地歸入到鋼質(zhì)部分，分界線的設(shè)計(jì)從而使與圍壁相連的小結(jié)構(gòu)保持完整；同時(shí)分界線還要注意避開甲板或圍壁開孔的角隅。同時(shí)，應(yīng)注意鋼鋁接頭都是直線型界面的，無(wú)法用于帶角隅的拼板縫，因而會(huì)出現(xiàn)通過兩個(gè)互相垂直的鋼鋁接頭制成直角拼板縫的情形，此結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)應(yīng)取得船檢同意。

2.2.1 11甲板鋼鋁分界線

需要考慮的結(jié)構(gòu)和細(xì)節(jié)包括：甲板下骨材和T梁的端肘板、FR75～77左舷小風(fēng)道的完整性、FR86～89以及FR90～94之間甲板開孔角隅、FR69～75之間/Y=2900右舷短圍壁，最終確定的分界線，如圖6所示。

圖6 11甲板鋼鋁分界線示意圖

圖9 FR86圍壁鋼鋁分界線示意圖

表1 鋼、鋁質(zhì)結(jié)構(gòu)規(guī)范計(jì)算對(duì)比

表2 鋼、鋁質(zhì)結(jié)構(gòu)焊腳計(jì)算對(duì)比

2.2.2 12甲板鋼鋁分界線

需要考慮的結(jié)構(gòu)和細(xì)節(jié)包括：甲板下骨材和T梁的端肘板、甲板開孔角隅；同時(shí)要注意甲板前部部分區(qū)域是上面機(jī)器處所房間的地板、FR63向后機(jī)艙限界面與外板之間距離很小，最終確定的分界線，如圖7所示。

圖7 12甲板鋼鋁分界線示意圖

2.2.3 煙囪頂板鋼鋁分界線

需要考慮的結(jié)構(gòu)和細(xì)節(jié)包括：甲板下骨材和T梁的端肘板、甲板開孔角隅；同時(shí)要注意甲板前部下方斜圍壁分界線的一致性、FR86～87間Y=0短梁、FR63向后以及FR80～86間機(jī)艙限界面與外板之間距離很小，最終確定的分界線，如圖8所示。

圖8 煙囪頂板鋼鋁分界線示意圖

2.2.4 各圍壁的鋼鋁分界線

各層甲板下的圍壁鋼鋁分界線基本與相交甲板上的分界線保持一致,如圖9所示。

3 確定最小板厚、最小骨材以及鋁合金結(jié)構(gòu)的等強(qiáng)度替換

計(jì)算根據(jù)DNV規(guī)范PT.3/CH.1對(duì)上建/甲板室的要求進(jìn)行，分別按載荷、對(duì)鋁材的最小要求計(jì)算，取大值。規(guī)范對(duì)鋁材無(wú)具體要求時(shí)，先按對(duì)鋼材的最小要求再等強(qiáng)度替換為鋁材計(jì)算。

鋁板材選用EN515歐標(biāo)5083H116系列，鋁型材選用6082T6系列。

相對(duì)鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)的規(guī)范計(jì)算，鋁質(zhì)結(jié)構(gòu)的規(guī)范計(jì)算對(duì)比，如表1。

4 焊腳計(jì)算

根據(jù)規(guī)范Pt.3/Ch.1/SEC.11/C103，以及鋁焊材力學(xué)性能計(jì)算焊腳。相比鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)，對(duì)比如表2。

規(guī)范C103焊喉公式為

5 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過不同材料以及結(jié)構(gòu)布置的優(yōu)化、材質(zhì)和焊腳計(jì)算并經(jīng)建模后，GOTLAND煙囪分段重量從107噸降低為72噸，其位置為最上一層甲板，對(duì)于客滾船降低空船重量重心有較大作用，上述設(shè)計(jì)過程和思路供結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員參考。