【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及大型船舶与海洋工程，具体为一种钢铝混合船舶甲板结构及其设计方法。
技术介绍
1、目前的船体结构设计，材料多采用船用钢，船体结构都是基于带板理论，船级社规范中构件的剖面模数和惯性矩均连同带板计算，甲板板厚须满足规范中的最小板厚要求。而在船舶重量中，钢板材重量所占比例较大，基于带板理论，对于甲板板材这部分重量的轻量化设计空间十分有限。考虑到船舶的轻量化，船级社规范允许使用铝合金材料替代船用钢，但是由于铝合金焊接后的屈服强度大打折扣，如5083系列焊后屈服强度仅为125mpa，同时铝合金材料弹性模量e较小，仅为钢的1/3左右，而结构的变形是和材料弹性模量e成反比的，这使得大跨度的铝合金结构会有强度冗余小和刚度不足的问题，这也导致目前铝合金材料仅应用于一些小型船舶的结构设计中，并没有在大型的船舶结构设计中得到广泛应用。为此，需要一种新的技术方案以解决上述技术问题。
技术实现思路
1、本专利技术所要解决的技术问题是提供一种在保证结构强度及刚度的前提下，更加轻量化的甲板结构形式及其设计方法。
2、为了解决以上技术问题，本专利技术提供一种钢铝混合船舶甲板结构，该甲板结构包括铝合金甲板，铝合金甲板下沿船长方向均匀布置相互平行的铝合金纵骨，铝合金纵骨通过钢-铝过渡接头与下方钢质强横梁、弱横梁和纵桁连接，强横梁和弱横梁沿船宽方向间隔设置并相互平行，纵桁沿船长方向平行布置并与强横梁和弱横梁垂直相交。
3、通过采用上述技术方案，钢-铝混合船舶甲板结构既可以有效减轻结构
4、优选的，铝合金纵骨截面为槽型，其顶部面板与铝合金甲板焊接。
5、通过采用上述技术方案，不计甲板带板后，采用槽形截面的铝合金纵骨，可以提供较大的剖面模数，给船舶甲板结构提供足够的强度。
6、优选的，强横梁、弱横梁和纵桁材质为ah36高强钢，截面均为工字型，其顶部在同一水平面上。
7、通过采用上述技术方案，采用高强钢，同等应力水平构件尺寸比普通钢更小，工字型截面进一步提供更大的剖面模数，满足规范强度要求。
8、优选的，钢-铝过渡接头采用铝-钛-钢复合过渡接头。
9、通过采用上述技术方案，铝-钛-钢复合过渡接头拉伸强度较高，强度冗余度大。
10、一种钢铝混合船舶甲板结构的设计方法，包括如下步骤：
11、s1）按照船舶规范要求，先根据规范设计一个常规的纵骨架式甲板结构，设计材质为高强钢时的甲板构件形式、尺寸和间距，包括甲板厚度，球扁钢纵骨截面尺寸，纵骨间距，t型截面横梁尺寸，横梁间距，t型截面纵桁尺寸，纵桁间距。
12、s2）开始无带板轻量化设计，确定甲板结构中甲板板、纵骨、强横梁、弱横梁和纵桁的材质、形式、尺寸及间距。强横梁、弱横梁和纵桁采用ah36高强钢材质，选用工字截面，纵骨采用铝合金材质，采用槽型截面，甲板板采用铝合金材质；构件的间距与s1）常规甲板结构间距保持一致；
13、强、弱横梁及纵桁需保证其剖面模数不低于s1）设计的高强钢横梁、纵桁剖面模数；铝合金纵骨的剖面模数不低于按照以下公式折算的数值：
14、 cm3，其中为s1中设计的高强钢纵骨的剖面模数，cm3；为铝合金的材料系数；
15、铝合金甲板的厚度初始取4mm。
16、s3）对s2)设计的钢质的强、弱横梁，纵桁，以及铝合金纵骨进行有限元分析，计算强横梁、弱横梁，纵桁，以及铝合金纵骨在规范要求的自重、惯性载荷、甲板载荷作用下的最大等效应力及变形，验证在没有铝合金甲板参与的情况下，其结构是否满足规范规定的强度、刚度设计要求。若不满足规范规定的强度、刚度设计要求，则按照s2)中的剖面模数要求加大构件尺寸，重新选择钢质的强横梁、弱横梁、纵桁，以及铝合金纵骨构件尺寸，并重复s3）直至满足规范规定的强度、刚度设计要求。
17、s4）确定强横梁、弱横梁、纵桁与铝合金纵骨，以及铝合金纵骨与铝合金甲板的连接方式。应用结构过渡接头实现铝合金和钢的直接焊接。连接方式为悬挂式连接形式，即钢质的横梁和纵桁均通过钢-铝过渡接头连接在铝合金纵骨上，不与铝合金甲板接触。槽型的铝合金纵骨的上面板焊接在铝合金甲板底面。采用悬挂式连接，会大大减小钢和铝合金的接触面积，减少结构过渡接头的使用，节约成本且有利于结构轻量化。
18、s5）选取合适的钢-铝过渡接头，选取铝-钛-钢复合过渡接头。
19、s6) 验证铝合金甲板性能。若铝合金甲板强度和刚度不满足规范要求，则增加铝合金甲板厚度，并重复步骤s6）进行验证，直至铝合金甲板强度和刚度满足规范要求。
20、通过采用上述技术方案，该设计方法基于无带板设计理念，辅以船舶规范要求的剖面模数公式，在计算构件的惯性矩及剖面模数时不计入铝合金甲板带板宽度，甲板板厚无需满足规范中的最小厚度的尺寸要求，设计出的甲板结构减重效果明显，有助于降低重心，提高船舶稳性，并有助于减少油耗，降低航行成本。
21、优选的，步骤s2）中，构件尺寸基于无带板设计理念确定：铝合金甲板不参与强度，仅作为框架蒙皮考虑，铝合金甲板的板厚无需满足规范中的最小厚度的尺寸要求，在计算构件的惯性矩及剖面模数时不计入甲板带板宽度。
22、通过采用上述技术方案，铝合金甲板厚度不受规范最小板厚约束，提高了船舶甲板板材的轻量化设计空间。
23、优选的，步骤s6）中，对钢铝混合船舶甲板结构进行有限元分析，计算铝合金甲板在规范要求的自重、惯性载荷、甲板载荷作用下的最大等效应力及变形，校核其的强度和刚度，是否满足规范要求。
24、通过采用上述技术方案，有限元仿真模拟，在设计时模拟预测结构的受力情况，证明钢铝混合结构具备符合船舶应用的强度和刚度，提高设计方案的安全性。
25、本专利技术相对于现有技术，具有如下有益效果：
26、1.本专利技术钢-铝混合船舶甲板结构既可以有效减轻结构重量，又可以将结构做到较大的跨距，使铝合金可以应用在大型船舶的甲板结构设计中。
27、2.本专利技术设计方法基于无带板设计理念，辅以船舶规范要求的剖面模数公式，在计算构件的惯性矩及剖面模数时不计入铝合金甲板带板宽度，甲板板厚无需满足规范中的最小厚度的尺寸要求，设计出的甲板结构减重效果明显，有助于降低重心，提高船舶稳性，并有助于减少油耗，降低航行成本。
28、3.本专利技术铝合金甲板不参与强度，仅作为框架蒙皮考虑，其甲板厚度不受规范最小板厚约束，在计算构件的惯性矩及剖面模数时不计入铝合金甲板带板宽度，提高甲板板材的轻量化设计空间。
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1.一种钢铝混合船舶甲板结构，其特征在于：该甲板结构包括铝合金甲板，所述铝合金甲板下沿船长方向均匀布置相互平行的铝合金纵骨，所述铝合金纵骨通过钢-铝过渡接头与下方钢质强横梁、弱横梁和纵桁连接，所述的强横梁和弱横梁沿船宽方向间隔设置并相互平行，所述的纵桁沿船长方向平行布置并与强横梁和弱横梁垂直相交。
2.按照权利要求 1 所述的一种钢铝混合船舶甲板结构，其特征在于：所述铝合金纵骨截面为槽型，其顶部面板与铝合金甲板焊接。
3.按照权利要求 1 所述的一种钢铝混合船舶甲板结构，其特征在于：所述强横梁、弱横梁和纵桁材质为AH36高强钢，截面均为工字型，其顶部在同一水平面上。
4.按照权利要求 1 所述的一种钢铝混合船舶甲板结构，其特征在于：所述钢-铝过渡接头为铝-钛-钢复合过渡接头。
5.一种按照权利要求1-4任一项所述的钢铝混合船舶甲板结构的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
6.按照权利要求5所述的一种钢铝混合船舶甲板结构的设计方法，其特征在于：所述步骤S2）中，构件尺寸基于无带板设计理念确定：铝合金甲板不参与强度，仅作为
7.按照权利要求5所述的一种钢铝混合船舶甲板结构的设计方法，其特征在于：所述步骤S6）中，对钢铝混合船舶甲板结构进行有限元分析，计算铝合金甲板在规范要求的自重、惯性载荷、甲板载荷作用下的最大等效应力及变形，校核其的强度和刚度，是否满足规范要求。
...【技术特征摘要】
1.一种钢铝混合船舶甲板结构，其特征在于：该甲板结构包括铝合金甲板，所述铝合金甲板下沿船长方向均匀布置相互平行的铝合金纵骨，所述铝合金纵骨通过钢-铝过渡接头与下方钢质强横梁、弱横梁和纵桁连接，所述的强横梁和弱横梁沿船宽方向间隔设置并相互平行，所述的纵桁沿船长方向平行布置并与强横梁和弱横梁垂直相交。
2.按照权利要求 1 所述的一种钢铝混合船舶甲板结构，其特征在于：所述铝合金纵骨截面为槽型，其顶部面板与铝合金甲板焊接。
3.按照权利要求 1 所述的一种钢铝混合船舶甲板结构，其特征在于：所述强横梁、弱横梁和纵桁材质为ah36高强钢，截面均为工字型，其顶部在同一水平面上。
4.按照权利要求 1 所述的一种钢铝混合船舶甲板结构，其特征在于：所述钢-...
【专利技术属性】
技术研发人员：李子凡，何力，周喜宁，张卫，吴锋锋，褚继壮，
申请(专利权)人：招商局重工江苏有限公司，
类型：发明
国别省市：
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