林永水 孔祥韶 郭國虎 胡灝天 任鵬良 王 卓 ＊吳衛(wèi)國

（1.武漢理工大學 理學院 武漢 430070；2.武漢理工大學 綠色智能江海直達船舶與郵輪游艇研究中心 武漢430063；3.武漢理工大學 交通學院 武漢430063）

引 言

郵輪被造船界譽為“皇冠上最耀眼的明珠”，其衍生的各類產(chǎn)業(yè)均具有極高的經(jīng)濟附加值［1］。如何攻克大型郵輪設計建造關鍵技術，實現(xiàn)我國大型郵輪自主設計建造“從0到1”的突破，是當前我國造船界的一項艱巨任務。

郵輪產(chǎn)業(yè)在國外已有逾百年發(fā)展歷史，其設計建造配套產(chǎn)業(yè)鏈完整。英國勞氏船級社出版的ShipRight Design and Construction-Structural Design Assessment中客船章節(jié)，對多層甲板客船（包含大型郵輪）的總強度和局部結(jié)構強度計算過程作了詳細規(guī)定［2］。我國郵輪設計剛起步，目前國內(nèi)針對大型郵輪結(jié)構設計方面的研究相對較少，文獻［3］和文獻［4］對郵輪總縱強度進行了分析，文獻［5］對郵輪上層建筑參與總縱強度程度進行了研究，而對郵輪上層建筑局部結(jié)構強度和輕量化設計的研究較少。對于郵輪上層建筑局部結(jié)構研究國外公開發(fā)表文獻極少。

郵輪與一般客船的主要區(qū)別在于，前者須為乘客提供多種類、高密度，且高規(guī)格的服務功能，這些服務包括但不限于：舒適的住宿空間、優(yōu)美的觀光體驗，充足的娛樂設施以及安全的搭乘環(huán)境［6］。上述服務功能的集成，最終表現(xiàn)為郵輪極為發(fā)達的上層建筑（包含各種類功能艙室），以滿足船上人員及乘客的生活和娛樂需求。同時為保證結(jié)構安全性和控制郵輪重量重心，諸如開孔高腹板板架結(jié)構，支柱結(jié)構，以及舷側(cè)開口結(jié)構等特殊結(jié)構形式被靈活應用于郵輪結(jié)構。這也是大型郵輪設計建造的關鍵難點之一。

以某大型郵輪為例，對其上層建筑典型的特殊結(jié)構形式設計特點進行分析，并對特殊結(jié)構的承載能力特性進行數(shù)值仿真研究，為郵輪上層建筑結(jié)構輕量化設計提供指導。

1 郵輪典型特殊結(jié)構形式

根據(jù)各功能艙室布置要求所衍生出的各類特殊結(jié)構形式，可在滿足艙室布置功能前提下，同時滿足結(jié)構安全性指標。通過對目標郵輪的結(jié)構設計特點進行分析，主要有以下幾種典型特殊結(jié)構形式。

1.1 開孔高腹板板架結(jié)構

由開孔高腹板T型鋼梁、甲板以及若干骨材所組成的板架結(jié)構，廣泛分布于目標郵輪上層建筑各功能艙室結(jié)構中，是最為常見的一類特殊結(jié)構。如前所述，現(xiàn)代郵輪上層建筑所涉及功能艙室眾多。船上人員對溫度、舒適度等方面的需求直接導致郵輪管路系統(tǒng)走線極為復雜［7］。另一方面，由于大型郵輪具備極為發(fā)達的上層建筑，船體重心高度的控制也會直接影響到郵輪穩(wěn)性。采用開孔高腹板板架結(jié)構的作用包括：

（1）利于電纜、風管、水管等管路系統(tǒng)的鋪設；

（2）讓公共設施從開孔梁中通過，進一步壓縮郵輪內(nèi)部空間，降低層高；

（3）有效降低船體結(jié)構自重。

以目標郵輪開孔高腹板板架結(jié)構為例，結(jié)構形式類似普通船舶的縱骨架式結(jié)構，甲板上沿船長方向布置有數(shù)量較多的T型材及球扁鋼，而在沿船寬方向則每隔4個肋位布置有1根T型材作為橫梁。板架上的縱桁和橫梁普遍采用腹板高度為450 mm的T型材，屬于腹板高度較大的一類型材，普通船舶較少會使用到。局部區(qū)域還可能出現(xiàn)構件的尺寸過渡變化。如圖1所示，縱桁及強橫梁腹板上，均設有數(shù)量較多的開孔。腹板開孔形狀分為圓孔和腰圓孔兩種，其中圓孔和腰圓孔直徑均為250 mm。

圖1 郵輪開孔高腹板

郵輪板架鋼梁上的腹板開孔，集中表現(xiàn)為開孔尺寸大，位置密集，排布具有規(guī)律，無補強等特點，開孔區(qū)域約占腹板總面積的30%～45%。

1.2 支柱結(jié)構

大型郵輪上層建筑中，布置有各類空間跨度較大的結(jié)構，這些結(jié)構一般是用作大型的影院、劇院或中庭。在這些結(jié)構中布置縱橫艙壁作為支撐會嚴重破壞空間功能性，影響乘客的游玩體驗。為了在保證結(jié)構安全性的同時，盡可能保留更多可供乘客活動的空間，郵輪設計會選擇在適當?shù)奈恢迷O置大量的支柱以對整體結(jié)構進行支撐。

在船體結(jié)構中，支柱作為傳遞甲板載荷的有效支撐構件得以廣泛應用。相較于艙壁結(jié)構，支柱結(jié)構較輕且承載能力強，布置也較靈活，對船體艙室功能區(qū)的劃分影響較?。?-9］。以目標郵輪為例，分別使用了截面形狀為方形、圓形和工字形的三類型材作為支柱，且管鋼支柱的使用最為頻繁。如圖2所示，支柱的布置位置主要集中在幾個特定半寬剖面上，并沿船長方向每隔4個肋位進行布置。上下相鄰支柱間的連接形式，根據(jù)局部布置特點，分為同心連接和偏心連接。由于支柱通常被布置在郵輪甲板縱桁和橫梁的相交處，郵輪設計建造中應特別注意支柱與甲板的連接方式。

圖2 郵輪支柱布置圖

此外，不同布置位置上的支柱尺寸也存在明顯差異，具體表現(xiàn)為同一截面形狀支柱，位于下方的支柱尺寸會稍大于上方支柱。支柱截面形狀及尺寸通過大量精細優(yōu)化設計工作確定。

1.3 舷側(cè)開口結(jié)構

如圖3所示，大型郵輪上層建筑兩側(cè)舷側(cè)甲板上設有密集的開口，這些開口形狀各異、尺寸較大，但布置相對規(guī)律，主要用作郵輪海景房的觀景舷窗。不同于普通客船，郵輪舷側(cè)開口尺寸更大、數(shù)量更多，會對船體局部結(jié)構強度造成極大的影響。

圖3 郵輪舷側(cè)開口

舷側(cè)開口結(jié)構的舷側(cè)板上布置有數(shù)量較多的扶強材以及骨材，以對局部結(jié)構進行補強。在對扶強材和骨材進行布置時，一般會保證舷側(cè)板上的每一個開口周圍，均被由扶強材和骨材組成的框架所包圍，以期達到最佳的補強效果。與此同時，開口角隅所存在的應力集中問題，也應該特別注意。目標郵輪在對舷側(cè)開口結(jié)構角隅區(qū)域的補強上，主要采用對稱角隅增焊補板的方式［10］。補板的位置、范圍以及厚度需要大量的優(yōu)化設計工作來確定。

2 郵輪特殊結(jié)構強度分析研究

2.1 開孔高腹板板架不同變量影響因素研究

2.1.1 甲板板厚對結(jié)構極限承載力影響

郵輪上層建筑甲板板架中的甲板板厚，會隨著甲板高度不同發(fā)生變化、設置開孔高腹板板架系列仿真工況、調(diào)整甲板板厚參量，探究板厚變化對板架縱向受壓極限能力的影響。有限元模型及仿真失穩(wěn)形式如下頁圖4所示。有限元模型采用簡支邊界條件，施加縱向軸壓載荷。系列仿真共設置11組不同甲板板厚計算工況，工況參數(shù)及最終計算得到載荷位移曲線如表1和圖5所示。

圖4 開孔高腹板板架仿真結(jié)果

表1 不同板厚系列工況 mm

圖5 不同甲板板厚載荷位移曲線

由仿真計算結(jié)果可知，板架失穩(wěn)主要發(fā)生在腹板開孔處，開孔是其薄弱位置。根據(jù)各工況載荷位移曲線，隨著甲板板厚的不斷增加，板架的極限載荷也隨之增加。經(jīng)過數(shù)據(jù)統(tǒng)計，甲板板厚與板架極限承載力之間的關系，大致為板厚每增加1 mm，板架極限載荷增加85 t，增長幅度約為16%。由上述現(xiàn)象可以發(fā)現(xiàn)，甲板板厚對板架極限承載能力至關重要。郵輪設計需要在板架板厚與板架重量間尋找合適的平衡點。

2.1.2 縱骨間距對結(jié)構極限承載力影響

設置開孔高腹板板架系列仿真工況，調(diào)整有限元模型縱骨間距大小，探究縱骨間距對結(jié)構極限承載力的影響。仿真工況參數(shù)見表2。

表2 不同縱骨間距系列工況 mm

由于調(diào)整模型縱骨間距后，模型面板寬度隨之發(fā)生變化，直接比較各工況極限載荷將不符合控制變量的原則。因此轉(zhuǎn)而對比各工況板架的應力變化水平，將仿真計算得到各工況最大應力值與縱骨間距間的關系繪制如圖6曲線。

圖6 不同縱骨間距極限應力曲線

根據(jù)仿真結(jié)果，隨著模型縱骨間距的不斷增加，板架極限應力首先出現(xiàn)緩慢的增加，隨后以較快的速度出現(xiàn)衰減。這主要是因為縱骨間距增加，甲板板的柔度增加，與腹板柔度差異進一步加大，板格的長寬比變小導致屈曲半波數(shù)目減小，更容易接近低階屈曲模態(tài)，進而失穩(wěn)。

2.1.3 腹板開孔對結(jié)構極限承載力影響

高腹板鋼梁上的開孔會直接影響到局部結(jié)構承載能力，同時鋼梁腹板開孔又可有效降低結(jié)構重量［11］。分別建立腹板開孔和腹板無開孔的板架模型，調(diào)整甲板板厚，探究不同甲板板厚情況下，腹板上的開孔對結(jié)構極限承載力的影響。

隨著板架甲板板厚逐漸增多，板架柔度逐漸減小。圖7為有無開孔高腹板板架極限應力比值隨板架柔度變化的散點分布圖，其中藍色粗虛線表示有開孔板架極限應力與無開孔板架極限應力的比值為1，紅色細虛線則表示比值為0.85。由散點分布圖可以看到，隨著板架柔度的逐漸增大，有/無開孔板架極限應力比值出現(xiàn)了一定程度的起伏。在柔度大于4的區(qū)域，極限應力比值均小于0.9?？紤]到結(jié)構設計的安全儲備，可基本認為目標郵輪高腹板上的開孔直接導致結(jié)構材料利用率下降約15%。

圖7 有/無開孔模型極限應力比值

2.2 支柱結(jié)構偏心度仿真分析

大型郵輪上層建筑中的各類空間結(jié)構大量使用到支柱結(jié)構進行支撐。相比于一般客船，大型郵輪對于內(nèi)裝的外觀美學設計極為重視，在保證結(jié)構流線美觀的同時，也犧牲了一定的結(jié)構完整性，進而衍生出各類偏心支柱結(jié)構。下面對偏心支柱進行簡單介紹，參見圖8。

圖8 郵輪偏心支柱

偏心度代表上下兩相鄰支柱軸線的相對偏移量，是影響支柱連接結(jié)構的主要參量之一。支柱偏心度根據(jù)式（1）進行計算：

式中：d為上下兩支柱的軸心間距，mm；D1為上支柱直徑，mm；D2為下支柱直徑，mm。

設置偏心支柱結(jié)構系列仿真工況，調(diào)整模型上下支柱偏心度，探究偏心度對結(jié)構承載能力的影響。表3為系列仿真工況參數(shù)以及最終計算得到的各工況極限承載力。

表3 支柱結(jié)構系列仿真工況及極限承載力

將各上下支柱直徑比下，不同偏心度的極限承載能力繪制如圖9曲線。

圖9 支柱偏心度-極限承載力曲線

由圖9可以看到，隨著偏心度由0.11增大至1.27，支柱結(jié)構的極限承載能力出現(xiàn)明顯下降，且偏心度越大，支柱結(jié)構極限承載能力的下降幅度也越大。同時，隨著下支柱直徑的逐漸減小，結(jié)構承載能力同樣出現(xiàn)明顯下降，圖中代表各直徑比曲線成明顯分離趨勢。偏心度對支柱結(jié)構承載能力的影響十分顯著，對郵輪上支柱結(jié)構偏心度較大的位置，在設計時應重點關注。

2.3 舷側(cè)開口結(jié)構仿真分析

通過改變舷側(cè)開口距離下方縱骨的間距以及舷側(cè)板的厚度，設置多組仿真工況，探究舷側(cè)開口位置及舷側(cè)板厚對結(jié)構局部強度的影響［12］。仿真工況參數(shù)見表4。仿真模型選取連續(xù)三跨舷側(cè)開口結(jié)構，施加軸壓載荷，圖10為工況1的舷側(cè)開口結(jié)構仿真應力云圖。

圖10 舷側(cè)開口結(jié)構仿真應力云圖

表4 舷側(cè)開口結(jié)構仿真工況 mm

圖11 舷側(cè)開口結(jié)構應力集中系數(shù)

將各舷側(cè)板厚下，開口角隅應力集中系數(shù)隨開口位置下移的變化曲線繪制于圖11。由圖11可以看到，同一舷側(cè)板厚下，隨著開口不斷遠離板格中心，應力集中系數(shù)均呈現(xiàn)出遞增的趨勢。表明當開口位于板格中心時，舷側(cè)開口結(jié)構擁有更好的承載能力以及更低的應力水平。同時還可以看到，舷側(cè)板厚度對于結(jié)構應力水平同樣有著較大影響，板厚為18 mm的舷側(cè)板結(jié)構的應力水平遠低于板厚為12 mm的舷側(cè)板結(jié)構。

3 結(jié) 語

本文針對郵輪上層建筑結(jié)構設計特點進行總結(jié)，并采用有限元方法對特殊結(jié)構承載能力特性進行分析，得出下列結(jié)論：

（1）甲板板厚是影響開孔高腹板板架結(jié)構承載能力主要的參量，適當增加甲板板厚可有效提升板架強度?？紤]到郵輪上層建筑甲板面積較大，甲板板厚的選取除局部強度，還須考慮結(jié)構對船舶重量重心的影響。

（2）縱骨間距過大，會使板架強度顯著下降，而減小縱骨間距至一定程度，高腹板結(jié)構承載能力的變化將不再明顯，設計時選擇合理間距可提高承載能力。

（3）板架鋼梁腹板上的開孔會影響結(jié)構承載能力。以目標郵輪為例，有開孔結(jié)構的極限承載能力約為無開孔結(jié)構的85%，高腹板梁上合理開孔對結(jié)構強度影響不大，有利于降低空船重量重心。

（4）偏心度對支柱連接結(jié)構承載能力的影響顯著，且隨著偏心度的增大，結(jié)構承載能力的下降幅度也越大。對郵輪上層建筑中不得不使用大偏心度支柱連接結(jié)構的位置，需要通過補強連接結(jié)構，增大上下支柱尺寸等方式來保證結(jié)構安全。

（5）當開口位于舷側(cè)板中部，結(jié)構應力水平相對更低。設計時應盡可能保證舷側(cè)開口結(jié)構的開口區(qū)域距離舷側(cè)板邊緣不要過近，并對角隅補強優(yōu)化。

（6）基于我國船舶的設計建造規(guī)范，建立郵輪特殊結(jié)構的設計方法和強度衡準，為設計提供指導。