Chinese Journal of Ship Research
悬挂式铝合金整体壁板压杆的稳定性校核方法
引用格式：吴剑国, 章艺超, 张平, 等.悬挂式铝合金整体壁板压杆的稳定性校核方法 [J]. 中国舰船研究, 2020, 15(2): 70–75, 87. WU J G, ZHANG Y C, ZHANG P, et al. Stability checking method of pressure bars for suspended aluminum alloy singlepiece bulkhead[J]. Chinese Journal of Ship Research, 2020, 15(2
吴剑国*1，章艺超1，张平2，陈海涛2 1浙江工业大学 土木学院, 浙江 杭州 310023 2中国船舶及海洋工程设计研究院，上海 200011
摘 要:［目的］悬挂式铝合金整体壁板结构在气垫船中得到了广泛应用，鉴于铝合金的弹性模量较低，且铝合金框架结构的失稳问题突出，因此需要对其稳定性校核方法进行研究。［方法］采用非线性有限元方法对悬挂式铝合金整体壁板的压杆进行稳定性分析，比较《海上高速船入级与建造规范》和《铝合金结构设计规范》中关于铝合金受压构件的稳定性设计公式和适用性。［结果］得出了悬挂式铝合金整体壁板压杆的失稳规律，并提出了压杆的校核方法和肘板布置方法。［结论］研究成果可用于指导悬挂式铝合金整体壁板结构的设计。关键词：铝合金；材料强度；悬挂式结构；规范比较；非线性屈曲中图分类号: U661.43 文献标志码:A DOI：10.19693/j.issn.1673-3185.01663
对于气垫船结构的稳定性校核主要依据《海上高速船入级与建造规范》规范仅有轴心受力和平面单向受弯的计算公式。挪威DNV 规定了柱的轴心受压校核方法；现行建筑结构的《铝合金结构设计规范》下简称《铝合金》）有受压杆件平面内外校核公式。国内外一些学者针对气垫船结构问题也进行了研究。Khedmati 等 对悬挂式、切口式和悬挂切口混合式铝合金板架的稳定性进行了比较； Herrington 等 分析了悬挂切口混合式铝合金结构在高速船上的应用；张平 针对悬挂式铝合金整体板架特点在气垫船上的应用进行了初步的探索；王伟 通过有限元和实验对切口式和悬挂式这 2种结构形式的铝合金板架稳定性进行了研究；骆海民 对气垫船悬挂式骨架结构设计特点进行了分析。然而，对于悬挂式整体壁板的受压构件适用于哪种校核方法、如何设置防倾肘板、壁板骨材与桁材焊接对桁材稳定性的影响等这些问题的研究尚少。针对上述问题，本文将比较《高速船》和《铝合金》规范，采用非线性有限元方法，计算分析悬挂式铝合金整体壁板的I字形桁材在不同受力和肘板布置情况下的极限承载力，得到其失稳规律，进而提出悬挂式整体壁板的铝合金压杆的校核方法和肘板布置方法。本文将仅列出《高速船》和《铝合金》规范的主要符号含义，详细的符号含义、单位等参见文献 [1, 3]。对于轴心受压构件的稳定性设计，《高速船》和《铝合金》的主要公式如表1所示。表1 中：为材料屈服强度； 为理论屈曲应力； 为临界屈曲应力； 为抗压强度设计值；
N为压力；对于轴心受压构件的屈曲强度，《高速船》给出了骨材的屈曲应力计算公式。其中，理论屈曲应力需通过塑性修正得到临界屈曲应力，再乘以安全因子得到许用临界屈曲应力。《铝合金》中有实腹式轴心受压稳定性的公式，可以查表得到相关稳定性系数查表得到。其中
包含安全因子。， 为压杆的计算长度， f中已经对于偏心受压构件，《高速船》和《铝合金》中的公式比较如表2所示。表2 中： 0.75 ； 为放大系数； 为平面内外稳定系数；为截面塑性发展系数；
0.9。其他符号定义详见文献 [1, 3]。对于偏心受压构件，《高速船》只有纵骨、加强筋的梁柱屈曲校核公式，而且该公式只是针对平面内的失稳。《铝合金》中有构件稳定性校核公式，分为单向压弯、双向压弯、平面内、平面外4种，所以更为全面。对于这2个规范都具有的平面内校核公式，其公式基本形式相同，但《高速船》系数是根据骨材形式确定，是一个定值，而《铝合金》稳定系数是根据构件长细比确定，等效弯矩系数是根据构件的受力情况确定。图 1所示为一典型的悬挂式结构图，整体壁板悬挂在桁材上，每个骨材设置一个肋板，骨材面板与桁材焊接连接。但是，当设置了肋板且翼缘宽度小于50 mm时，则可不焊。本文针对一根两端简支的悬挂式铝合金桁材建立了有限元模型。其中：桁材长2 000 mm ，翼缘宽 40 mm，厚 7 mm ，腹板高 150 mm，宽 5 mm，整体壁板骨材间距为 200 mm。铝合金材料的屈
服强度 f0.2=215 MPa，弹性模量 E=70 000 MPa。在有限元模型的网格划分中， 将腹板沿高度方向划分为 12个板单元，翼缘划分为 4个板单元，且网格尽量接近正方形。桁材几何缺陷取线性屈曲分析中的一阶模态，缺陷的幅值为桁材长度的 1/1 000。应力和应变的关系采用 RambergOsgood模型 n的取值采用 Beson[10] 在其研究中的取值27。鉴于翟希梅等 在铝合金轴心受压杆有限元分析中得出了模拟结果不受端板厚度影响的结论，本文在有限元计算中将悬挂桁材两端分别刚性耦合到工字形截面的形心点上以代替端板作用。桁材一端在其形心点上约束 x， y， z方向的位移，如图 2所示，另一端约束 y， z 方向的位移，放开x方向的位移，并施加一个x方向的集中力F。
算，对于悬挂式桁材，最终确定：当间隔4个骨材布置肘板（如骨材与桁材脱焊（或非焊））时，平面外计算长度取5个骨材的间距，而平面内计算长度取整个桁材的长度；如果是焊接，则平面外计算长度取 5个骨材间距的一半；当间隔1个骨材和每个骨材布置肘板时，无论脱焊与否，平面外计算长度都取肋板间距，而平面内计算长度都取整个桁材的长度。
上。在有限元模型中，通过在桁材与整体壁板骨材焊接处施加一个集中力来模拟。如图4 所示，桁材上每隔 200 mm施加一个1 kN的集中力。模型的有限元计算结果如表4和图 5~图 7所示。鉴于每个骨材设置肘板、间隔 1个骨材设置肘板时，骨材与桁材焊接与否的影响已很小，图7仅列出了焊接的结果，后续变形图也是如此。
从表5和图 9~图 11 看出： 1） 对于每个骨材设置肘板的桁材将发生平面内失稳，《高速船》的利用系数为 1.56 ，这说明该规范给出的极限承载力远大于有限元结果，其偏于保守；综合《铝合金》的平面内、外稳定公式的结果，显示出与有限元结果较吻合。
弯构件的极限承载力明显较小；当间隔1个骨材布置 1道肘板时，极限承载力提高了1倍；当在每个骨材位置布置肘板时，极限承载力最高，与间隔 1个骨材设置相比，极限承载力提高了25%。2） 《铝合金》对于双向压弯情况下，当肘板设置较多时，校核公式偏于保守。尽管本文仅是对简支的受压构件进行有限元分析，按照稳定性理论，这些结论也同样适用于像两端固支的压杆，在应用规范校核时只需注意平面内压杆计算长度的固定系数取值。通过将有限元的计算值与本文所述规范的计算值进行比较，得出以下结论： 1） 肘板能显著提高悬挂式铝合金整体壁板压杆的稳定性，但设置过密意义不大。一般情况下，每个骨材位置或间隔1个骨材设置肘板较为合适。2） 当肘板设置较密时，可采用《高速船》规范进行轴心、偏心的铝合金桁材的稳定性校核；当肘板设置较少时，比如间隔4个骨材设置一个肘板，可采用《铝合金》规范校核压杆平面外的稳定性，此时，应考虑壁板骨材与焊材的焊接作用，平面外计算长度宜取间隔4个骨材设置1个肘板时计算长度的一半。
中华人民共和国建设部 铝合金结构设计规范北京:中国计划出版社,